Niesforne kwazary
12 kwiecień 2010
Stwierdzenie, iż światło przemieszcza się zawsze ze stałą, niezmienną prędkością, kwalifikuje się współcześnie do kategorii „truizm pierwszej kategorii”, warto jednak pamiętać o tym, że wbrew pozorom naukowcom względnie późno udało się potwierdzić to podejrzenie, wysunięte po raz pierwszy przez duńskiego astronoma Ole Rømera już w XVII wieku. O znaczeniu tej stałej trudno dyskutować – niejaki Einstein oparł chociażby na tej fundamentalnej stałej gmach Szczególnej Teorii Względności. Istnieją co prawda wśród naukowców i tacy, którzy raz po raz próbują stałość prędkości światła kwestionować, są to jednak sporadyczne przypadki, które przez naukowe autorytety zbywane są machnięciem ręki.
Akceptacja niezmiennej prędkości światła, zupełnie niezależnej od ruchu źródła je emitującego, wprowadza do świata fizyki sporo zamętu i w konsekwencji zmusza nas do pogodzenia się z istnieniem niekiedy mocno nieintuicyjnych zjawisk w rzeczywistości fizycznej, w której dane jest nam istnieć. Jedną z nich jest tzw. dylatacja czasu – zjawisko polegające na tym, że dokonując pomiaru czasu w dwóch układach odniesienia, z których jeden porusza się względem drugiego, nie otrzymamy identycznych wyników. O ile na naszej wygodnej planecie ze względu na jej maleńkość w kosmicznych skalach niełatwo o doświadczenie dylatacji w sposób mierzalny, o tyle astronomowie posiadają tutaj o wiele większe pole manewru – ogromne odległości dzielące obiekty kosmiczne pozwalają testować teorię względności do woli i jak dotąd – o ile mi wiadomo – potwierdzać tylko jej przewidywania z rosnącą dokładnością.
Zastanówmy się przez chwilę, gdzie i w jaki sposób efekt dylatacji czasowej mógłby manifestować się w Kosmosie. Zgodnie z najbardziej prawdopodobną obecnie wersją zdarzeń Wszechświat powstał ok. 13,7 miliardów lat temu w trakcie wielce tajemniczego wydarzenia, określanego jako Wielki Wybuch. Od tego czasu Wszechświat, znów zawierzając twierdzeniom naukowców, stale podlega ekspansji, więcej nawet, ekspansja ta od bliżej nieokreślonego momentu w przeszłości zdaje się przyspieszać. Pisząc o dylatacji czasu znowuż wspomniałem, że decydującym założeniem związanym z tym zjawiskiem jest to, iż jeden z układów odniesienia musi poruszać się względem drugiego. Łącząc te dwa fakty otrzymujemy tym samym najwspanialsze laboratorium eksperymentalne, jakie tylko sobie można wymarzyć – staje się nim cały Wszechświat.
Ekspansja Wszechświata powoduje, że (z kilkoma wyjątkami w lokalnej części Wszechświata) wszystkie galaktyki zdają się oddalać od Drogi Mlecznej, im taka galaktyka bardziej odległa, tym większa jest prędkość, z jaką obiekt ten zdaje się uciekać w dal. Ponieważ światło przemieszcza się, jak pamiętamy, ze stałą prędkością, coś dziwnego zdaje się zachodzić w takich warunkach z nim samym – światło docierające w bezchmurne noce do zwierciadeł teleskopów na naszej planecie ma do pokonania coraz większą odległość a poprzez ekspansję samej przestrzeni fale elektromagnetyczne ulegają wydłużeniu, tzw. przesunięciu ku czerwieni („redshift”). Im większe poczerwienienie światła docierającego z odległego obieku, tym większa jego odległość od Ziemi.
Dylatacja czasu w tym przypadku oznacza jednak coś jeszcze – nie tylko dochodzi do poczerwienienia światła odległych galaktyk, zgodnie z teorią Einsteina bowiem zachodzące w nich zdarzenia muszą „trwać dłużej” w naszych oczach. Nie bez powodu użyłem cudzysłowu – zjawiska te przebiegają w takim samym czasie jak w każdym innym miejscu Wszechświata (zakładając, że przed wieloma miliardami lat przykładowo supernowe wybuchały w taki sam sposób jak obecnie), jednak ze względu na stałą prędkość światła oraz ekspansję Wszechświata ziemski obserwator rejestruje co innego. Eksperymentalnie potwierdzono zjawisko dylatacji czasu we Wszechświecie na podstawie supernowych – naukowcy podejrzewali, że bardzo odległe supernowe musiałyby blednąć zauważalnie wolniej niż supernowe które eksplodowały, załóżmy, w połowie drogi do supernowej odleglejszej. Zależność tą udało się zarejestrować, rzeczywiście wraz z rosnącą odległością supernowe zdają się przechodzić kolejne etapy swej ewolucji odpowiednio wolniej.
Zawsze jednak znajdzie się taki jeden z drugim, kto drąży głębiej i głębiej oraz psuje harmonię w rajskim świecie fizyków. Kimś takim okazał się niedawno niejaki Mike Hawkins, pracujący w Royal Observatory of Edinburgh (Wielka Brytania). Czy to z braku zajęć czy też w ramach najprawdziwszej pasji astronom ten zabrał się za niełatwe zadanie – przeanalizował dane obserwacyjne dotyczące ok. 900 kwazarów, zebrane w ciągu ostatnich 28 lat.
Kwazar to obiekt mimo wszystko ciągle jeszcze tajemniczy – są to najodleglejsze chyba obiekty kosmiczne, jakie jesteśmy w stanie zaobserwować, wszystko to dlatego, że są to źródła promieniowania o ogromnej mocy i jasności całych galaktyk. Jak podpowiada sama nazwa (pochodząca od angielskiego „quasar”, będącego znowuż skrótem od „quasi-stellar radio source”, czyli „pozornego gwiezdnego źródła radiowego”) mamy do czynienia z czymś, co w pewnym sensie przypomina zwykłą gwiazdę. Chwileczkę, powiecie, pojedyncza gwiazda którą widzimy z odległości miliardów lat świetlnych? Oczywiście, niewykonalne to zadanie, niemniej jednak kiedy odkryto pierwsze kwazary, do czego doszło już w XIX wieku, sądzono rzeczywiście, że chodzi o gwiazdy, znajdujące się we wnętrzu naszej Galaktyki. Jak okazało się z czasem, nic bardziej mylnego.
Większość galaktyk, jak uważa się dzisiaj, posiada w swym centrum supermasywną czarną dziurę. W kontekście naszych rozważań najważniejsze jest, że owe monstra zachowują się w sposób bardzo zróżnicowany – czasem, jak w przypadku naszej Drogi Mlecznej, wiemy tylko, że są, bowiem smacznie śpią i ich aktywność jest niemal zerowa, czasem jednak stają się niezwykle aktywne i wówczas stają się centralnym elementem kwazarów właśnie. Jak obecnie przypuszczamy kwazary to hiperaktywne jądra pewnego rodzaju galaktyk, w których centralna czarna dziura dosłownie „wpada w szał” i pożera zachłannie ogromne ilości materii. Materia ta, zmierzając na swej drodze bez powrotu ku czarnej dziurze, zostaje podgrzana do gigantycznych temperatur, co skutkuje znowuż emisją potężnych ilości promieniowania. Wiemy więc, czym z grubsza są kwazary. Biorąc pod uwagę to, co napisałem o supernowych powyżej, wydaje się być logicznym, że podobna zasada związana z dylatacją czasu powinna odnosić się również do kwazarów. I tutaj wspomniany wcześniej Mike Hawkins powiada stanowczo: nie.
Ku zaskoczeniu astronoma przeprowadzona przez niego analiza danych wykazała, że okresowość zachowania kwazarów wydaje się być identyczna w przypadku kwazarów w odległości ok. 6 miliardów lat świetlnych oraz kwazarów niemal dwa razy dalej się znajdujących, bo w odległości 10 miliardów lat świetlnych. Stwierdzenie to jest dość kłopotliwe, bo trudno zaprawdę podać powód, dlaczego kwazary właśnie miałyby być tymi obiektami, które wyłamują się z ram teorii względności.
Sam Hawkins w miarę ostrożnie wysunął kilka propozycji ze swej strony – można podzielić je na bardzo… „odważne” oraz „mniej odważne”. Pierwsza z nich brzmi naprawdę rewolucyjnie: Wszechświat po prostu się nie rozszerza. Mając jednak z jednej strony pojedynczą analizę Hawkinsa, z drugiej zaś niezliczone obserwacje potwierdzające fakt ekspansji, trudno wróżyć temu pomysłowi wielkie powodzenie. Trochę lżejszego kalibru, choć ciągle dość drastyczne, jest stwierdzenie, iż kwazary po prostu nie znajdują się w odległościach takich, na jakie wskazuje ich poczerwienienie.
Sensowniejsze wydaje się w tym kontekście – mimo to ciągle mocno kontrowersyjne – założenie, że tak naprawdę mamy do czynienia ze złudzeniem optycznym: na drodze światła pomiędzy kwazarem a Ziemią znajdować się muszą dość kompaktowe (wielkości gwiazdy?) obiekty, które zniekształcają rejestrowany obraz i „pojaśniają” odległe kwazary. Wydaje się to dość kuriozalne – skoro mowa o setkach kwazarów, badanych przez Hawkinsa, musielibyśmy założyć, że albo niezwykle dziwny przypadek ustawił owe tajemnicze obiekty dokładnie między nami a kwazarami, albo też… obiektów tych jest bez liku.
I w tym właśnie tkwi haczyk – jeśli obiekty te rzeczywiście fałszowałyby obserwacje kwazarów, musiałoby ich być tak dużo, że cała ciemna materia Wszechświata zmagazynowana byłaby właśnie w nich. Najlepszym kandydatem wg Hawkinsa są tutaj tzw. pierwotne czarne dziury, które miały zgodnie z niektórymi teoriami powstawać tuż po Wielkim Wybuchu. Sęk w tym, że większość naukowców niechętnie podchodzi do takiego pomysłu – przeważająca ich ilość wierzy, że ciemna materia to raczej jakieś egzotyczne cząstki, nie czarne dziury.
Przyznam szczerze, że praca Hawkinsa wydała mi się mocno intrygująca – na chwilę obecną nie istnieje żadne sensowne wytłumaczenie dla dokonanego przez niego odkrycia. Nie jestem co prawda wielbicielem „przełomowych” rozwiązań tej zagadki – sądzę, że Wszechświat i tak się rozszerza i kwazary niewiele w tym zmienią – jednak z przyjemnością poczekam na kolejnych badaczy, próbujących wyjasnić tajemnicę.
Źródła:
Link 1
Link 2
Pogoń za dziurami “wagi średniej” trwa dalej
17 listopad 2009
Dla najwytrwalszych bywalców tej strony (jeśli takowi oczywiście w ogóle istnieją) dzisiejszy wpis nie będzie z pewnością całkowitą „premierą” w takim sensie, że dwukrotnie przynajmniej zdarzyło mi się w zamierzchłej przeszłości wspominać o potencjalnych kandydatkach do miana tzw. „średniomasywnych czarnych dziur” (tutaj i tutaj), chimerycznej póki co klasy obiektów kosmicznych, których hipotetyczne istnienie od wielu lat czeka na solidne potwierdzenie w ramach obserwacji. O ile dwa pozostałe „szczepy” czarnych dziur (gwiazdowe, powstające w trakcie grawitacyjnej zapaści sporawych gwiazd, o masie nieprzekraczającej kilkudziesięciu mas Słońca, oraz supermasywne, bytujące w jądrach wielu galaktyk i sięgające masą miliardów mas słonecznych) od bez mała kilkudziesięciu lat stanowią przedmiot intensywnej (choć niestety siłą rzeczy tylko pośredniej) obserwacji, o tyle spora skądinąd luka pomiędzy nimi (szacowana pod względem masy na 100 do 10000 mas słonecznych) czeka ciągle na konkretne uzupełnienie – pojawiają się co prawda co jakiś kolejni pretendenci do miana „zawodników wagi średniej” (o których pisałem właśnie we wspomnianych wyżej archiwalnych wpisach), wydaje się jednak, że żaden z nich nie przekonał do siebie przeważającej większości badaczy.
W ostatnim czasie naukowcy z amerykańskiego Goddard Space Flight Center, jednego z ośrodków agencji NASA, zaproponowali jednak kandydata, który – jak się obecnie wydaje – stanowi poniekąd „najlepszego podejrzanego”: charakterystyka obiektu, który na przeciągu kilku minionych lat poddawany był przez nich natarczywym obserwacjom, sprawia, że jest on największym “kandydatem-pewniakiem” do miana „średniomasywnej czarnej dziury”. Po kolei jednak.
W odległości ok. 15,7 miliona lat świetlnych od Ziemi znajduje się galaktyka o katalogowej nazwie NGC 5408. W zasadzie galaktyka jak każda inna (z tych nieregularnych), o tyle jednak ciekawa, że przynależy do grona pewnej ich podgrupy, która wyróżnia się obecnością w swych wnętrznościach „superjasnych źródeł rentgenowskich” („Ultraluminous X-ray Source”, ULX), frapujących, niezwykle silnych „emiterów” promieniowania X, które zdają się generować więcej energii niż każdy znany nam proces związany z gwiazdami, mniej jednak niż ma to miejsce w przypadku supermasywnych czarnych dziur w aktywnych jądrach galaktycznych (“Active Galactic Nuclei”, AGN). Jak nietrudno się domyśleć, z tego właśnie względu źródła ULX stanowią niezgorszych kandydatów na średniomasywne czarne dziury, co też powoduje, iż naukowcy poświęcają im względnie sporo uwagi.
Źródło ULX w galaktyce NGC 5408 jest jednak szczególnie interesujące nawet na tle pozostałych przedstawicieli swej rodziny – w latach 2006 oraz 2008 naukowcy z Goddard Space Flight Center, posługując się instrumentami obserwacyjnymi znajdującymi się na pokładzie europejskiego satelity XMM-Newton, prowadzili obserwacje tego źródła, oznaczonego swego czasu mianem NGC 5408 X-1. Kosmiczne obserwatorium zarejestrowało coś, co naukowcy w swym ojczystym języku określili mądrze jako „quasi-periodic oscillations”, inaczej mówiąc pozornie okresowe oscylacje blasku, pochodzącego od niezwykle gorącego gazu opadającego na hipotetyczną czarną dziurę wewnątrz dysku akrecyjnego, formującego się zwyczajowo wokół masywnych obiektów. „Migotanie” to, bo do tego ów tajemniczy angielski zwrot ostatecznie się sprowadza, miało ciekawą charakterystykę – odbywało się ok. 100 razy wolniej, niż ma to zazwyczaj miejsce w przypadku gwiazdowych czarnych dziur, z drugiej jednak strony o taki sam czynnik źródło to było jaśniejsze (w zakresie rentgenowskim).
Biorąc pod uwagę wspomniane migotanie oraz inne charakterystyczne cechy źródła, naukowcy doszli po intensywnym namyśle do wniosku, że przyczyną takiego a nie innego zachowania źródła musi być tajemniczy obiekt o masie pomiędzy tysiącem a dziewięcioma tysiącami mas słonecznych (swoją drogą, ciekawe skąd aż tak szeroki rozrzut w szacunku), natomiast jego horyzont zdarzeń – a więc hipotetyczna w przybliżeniu sferyczna powierzchnia, otaczająca centrum czarnej dziury, wewnątrz której grawitacja nie wypuszcza „na zewnątrz” nawet światła – musiałby mieć średnicę mieszącą się w zakresie od połowy do czterokrotności średnicy Ziemi.
Jeśli rzeczywiście w przypadku źródła NGC 5408 X-1 mamy do czynienia ze średniomasywną czarną dziurą, to intensywny blask źródła wiąże się zapewne z pożeraniem przez nią gazu z otoczenia – w tym przypadku zasysania jej z „gwiazdy-ofiarodawcy”, co dzieję się względnie często w przypadku gwiazdowych czarnych dziur w naszej Galaktyce. Chcąc to założenie udowodnić badacze zaplanowali w 2008 roku przesiadkę na kolejne kosmiczne obserwatorium – tym razem amerykańskiego SWIFT’a, dzięki któremu chcieli natrafić na ślady takiej kosmicznej towarzyszki.
Od kwietnia 2008 roku satelita SWIFT kilka razy w tygodniu „zerkał” w stronę źródła NGC 5408 X-1, rejestrując najsubtelniejsze nawet regularne wahania w poziomie promieniowania rentgenowskiego, co mogłoby wskazywać na obecność gwiezdnego partnera. Dzięki temu po wielu miesiącach obserwacji astronomom udało się w końcu stwierdzić, że taka maleńka zmiana następuje miarowo co mniej więcej 115,5 dnia. Zakładając, że takiej długości jest również okres orbitalny domniemanej gwiazdy-sponsora, można było ostatecznie przedstawić wniosek, że gwiazda ta musi być co najmniej gwiazdą olbrzymem o przypuszczalnej masie od 3 do 5 mas słonecznych. Trzeba tutaj jednak od razu zaznaczyć, że do chwili obecnej satelita SWIFT zdążył wskazujące na to „wahnięcie” blasku źródła zaobserwować zaledwie cztery razy, nie można więc mówić tutaj o jakiejś absolutnej pewności – nadzór trzeba będzie w dalszym ciągu kontynuować, by potwierdzić podejrzenia.
Jakby jednak nie było, wiele wskazuje na to, że wyczekiwany od lat z utęsknieniem przez wielu astronomów silny dowód obserwacyjny wskazujący na istnienie średniomasywnych czarnych dziur powoli zaczyna znajdować się w zasięgu ręki obserwatorów. Nawet jeśli w przypadku bohaterki dzisiejszego wpisu wszelkie wnioski okażą się w ostatecznym rozliczeniu błędne (co wydaje się jednak mało prawdopodobne, trzeba przyznać), to pojawiające się w ostatnim czasie coraz częściej prace w tym zakresie w końcu kiedyś zaprezentują „pewniaka”, obiekt, który bez zastrzeżeń zostanie oficjalnie mianowany przedstawicielem nowej klasy czarnych dziur.
Wszystko to – warto o tym wspomnieć na koniec – ma jednak sens przy oczywistym w tym przypadku założeniu, że czarne dziury jako takie w ogóle istnieją, co nie przez wszystkich naukowców jest w końcu akceptowane. Wspominam o tym dlatego, że dla osób zainteresowanych alternatywnymi wizjami (w tym przypadku mowa o tzw. „czarnych gwiazdach”) z przyjemnością polecić mogę lekturę najnowszego wydania „Świata Nauki”, w którym arcyciekawy artykuł na ten temat się pojawił.
Artykuł naukowców o odkryciu na ArXiv.org
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Link 5
Link 6
Zdjęcie: Archiwalne zdjęcie wykonane przez teleskop Hubble’a, gdzie zaznaczono źródło NGC 5408 X-1
Źródło zdjęcia
Credit: NASA/ESA/C. Lang, P. Kaaret, A. Mercer (Univ. of Iowa), and S. Corbel (Univ. of Paris)
Kosmiczne rendez-vous za kilkaset milionów lat
9 październik 2009
Wszechświat pełen jest rzeczy, których nasza siłą rzeczy ograniczona wyobraźnia nie potrafi objąć – jedną z takich jest z pewnością intrygująca wiadomość (która dotarła do mnie dosłownie przed chwilą, kiedy pisałem pierwsze słowa tego wpisu) o tym, że niejaki Barack Obama otrzymał w dniu dzisiejszym pokojową nagrodę Nobla. Ponieważ jednak strona, na której dziwny trafem znajdujecie się w tej chwili, nie ma służyć rozważaniom nam niewiarygodną wręcz degradacją wartości swego czasu niezwykle ważnej nagrody poprzez przyznanie jej człowiekowi, który niczego wartego wzmianki jeszcze nie dokonał (i wątpliwe jest, czy dokona tego w przyszłości), wykonujemy ostry wiraż i wracamy do tematyki “znanej i lubianej”, czyli – Wszechświata pełnego rzeczy, których… itd..
Jednym z najtrudniejszych do objęcia umysłem obiektów kosmicznych jest z pewnością czarna dziura. Zakładamy tutaj rzecz jasna, że coś takiego jak “czarna dziura” w ogóle istnieje, bo nie sposób przecież wykluczyć opcji, iż jest to tak naprawdę ślepa uliczka teoretyków i mamy tak naprawdę do czynienia z zupełnie odmiennym zjawiskiem – alternatyw, choć stanowczo zbyt mało popularnych, jest sporo. Załóżmy jednak, że czarne dziury jako takie istnieją – wówczas każdy z nas chyba przyzna, że mimo pojawiających się w wielu miejscach wysilonych opisów, mających choć trochę przybliżyć nam ich istotę, bardzo trudno przełożyć zadziwiającą matematykę na zrozumiałe dla nas samych pojęcia.
Trudno wyobrazić sobie czarną dziurę, no więc co powiecie na dwie, zbliżające się nieuchronnie do siebie? Choć wydaje się to na pierwszy rzut oka mało prawdopodobne, by czarne dziury spotykały się w swych wojażach, to naukowcy są przeciwnego zdania – ze względu na to, że w zasadzie dość często dochodzi w końcu we Wszechświecie do kolizji galaktyk i ich mariażów, równie często powinno dochodzić do spotkania dwóch supermasywnych czarnych dziur – bo o tych dziś mowa. Zakłada się bowiem, że tego rodzaju monstrualne czarne dziury tkwią w jądrach przeważającej ilości galaktyk – trudno więc nie wyciągnąc tutaj wniosku, że w trakcie zderzenia dwóch galaktyk z zamieszkującymi je supermasywnymi czarnymi dziurami kiedyś dochodzi do pierwszego kontaktu.
Jedną z galaktyk, w których taki proces właśnie zdaje się przebiegać, jest galaktyka NGC 6240 – galaktyka odległa od nas o ok. 400 milionów lat świetlnych, dość dobrze poznana i zbadana, której sam “zwichrowany” kształt zdaje się już podpowiadać, że mamy do czynienia z naprawdę frapującym obiektem. Tego samego zdania są również astronomowie – zakłada się, że galaktyka ta powstała w trakcie zderzenia dwóch galaktyk pomniejszych. Co jednak jeszcze ciekawsze, wiele zdaje się wskazywać na to, że gwałtowne zajścia z przeszłości nie są jedyną cechą, zajmującą badaczy – obserwacje sprzed kilku lat oraz wykonane niedawno wskazują z dużym prawdopodobieństwem na to, że obie pierwotne galaktyki mogły wnieść jako posag do związku supermasywne czarne dziury.
W 2002 roku obserwacje wykonane przy pomocy kosmicznego obserwatorium Chandra (pracującego w zakresie promieniowania rentgenowskiego, promieniowania powstającego zazwyczaj w bardzo gwałtownych i energetycznych procesach) ujawniły, że w centrum galaktyki NGC 6240 znajdują się najprawdopodobniej dwie supermasywne czarne dziury, odległe od siebie o maleńkie 3000 lat świetlnych. Obserwacje powtórzono całkiem niedawno, dodatkowo zdjęcie w zakresie rentgenowskim połączono ze zdjęciem wykonanym w zakresie widzialnym przez kosmiczny teleskop Hubble’a. Efekt? Wystarczy zerknąć do góry, by na zdjęciu rozpoznać najbardziej charakterystyczne elementy – dwa bliskie siebie, bardzo jasne punktowe źródła światła, położone w centrum galaktyki. Pomarańczowe i czerwone natomiast tło tych punktów, niezbyt pasujące do zwyczajowego obrazu galaktyki, to odwzorowanie danych w zakresie rentgenowskim.
Na tym nie koniec jednak – czarne dziury zbliżają się do siebie i prawdopodobnie za dziesiątki lub setki milionów lat połączą się w jedną gigantyczną czarną dziurę. Proces ten zdaje się trwać już od ok. 30 milionów lat, trzeba więc przyznać, że czarnym dziurom niespieszno do spotkania. Wszystko dlatego, że czarne dziury oczywiście nie zmierzają do siebie po linii prostej, co byłoby dość kuriozalne – tak jak i gwiazdy galaktyki NGC 6240 poruszają się o orbitach wokół wspólnego środka ciężkości, czyli inaczej mówiąc po spiralnym torze.
Obserwacje i badania układów dwóch lub więcej czarnych dziur to bardzo popularna działka we współczesnej astronomii – galaktyka NGC 6240 jest tylko jednym przykładem, jaki od 2002 roku wyszukano w bezkresie Wszechświata. Zrozumienie tego, w jaki sposób łączące się czarne dziury oddziałują na siebie na wzajem i na otoczenie pociąga wielu badaczy, nie można też zapomnieć o tym, że najprawdopodobniej to właśnie łączące się czarne dziury stanowią najsilniejsze źródło fal grawitacyjnych we Wszechświecie – niestety wszystkie eksperymenty, służące zarejestrowaniu takich fal ciągle nie przynoszą pozytywnych rezultatów, niezależnie od przyczyn tego niepowodzenia.
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Zdjęcie: Galaktyka NGC 6240 (złożenie zdjęć teleskopu Hubble’a w świetle widzialnym oraz obserwatorium Chandra w zakresie rentgenowskim)
Źródło zdjęcia
Credit: X-ray: NASA/CXC/MIT/ C.Canizares, M.Nowak; Optical: NASA/STScI
Dorastanie galaktyk w młodym Wszechświecie
4 wrzesień 2009
Niezależnie od tego, jak bardzo zróżnicowane mogą być poglądy naukowców odnośnie kontrowersyjnych elementów tej wielkiej układanki, jaką bez wątpienia jest Wszechświat jako taki, jedno wydaje się być od wielu lat w zasadzie pewne, a zażarte kłótnie dotyczą tylko pomniejszych niuansów – ten Wszechświat, jakim go znamy, nie istniał wiecznie i w pewnym bardzo, bardzo odległym momencie w przeszłości w trakcie wydarzenia określanego obiegowym zwrotem “Wielki Wybuch” doszło do jego kreacji. Można co prawda dyskutować o hipotetycznej cykliczności tego procesu (według kształtującej się w ostatnich latach alternatywnej teorii Wielki Wybuch to zjawisko, do którego doszło już nieskończenie wiele razy w przeszłości), trudno jednak w gąszczu fascynujących czasem pomysłów dojrzeć taki, zgodnie z którym sam Wielki Wybuch (w różnych wersjach) by się nie odbył.
Skoro ogromna większość naukowców zgadza się co do tego, że Wielki Wybuch jest faktem, musimy równocześnie zaakceptować fakt, że z bezkształtnej, jednolitej “zupy” promieniowania wyłonił się z czasem znany nam dobrze obraz Wszechświata. Nietrudno zauważyć, że nie mogło najprawdopodobniej dojść do tego w mgnieniu oka – aby z pomarszczonego kwantowymi fluktuacjami oceanu materii wyłoniły się miriady galaktyk zawierające nierzadko po setki miliardów gwiazd niezbędny był co najmniej jeden czynnik – czas. Choć ewolucja galaktyk nie jest zbyt dobrze poznana i nie mamy dotąd uniwersalnego opisu procesów, który doprowadziły do powstania pierwszych galaktyk Wszechświata przed miliardami lat, zgadzamy się wszyscy co do tego (co sugerują również dane obserwacyjne), że pierwsze galaktyki pojawiły się po setkach milionów lat od Wielkiego Wybuchu.
Rozwój technologiczny pozwala nam dostrzegać coraz dalsze obszary Wszechświata, co równoznaczne jest coraz bardziej zaawansowanej podróży w czasie do czasów, gdy Wszechświat był u początków swego istnienia. Rejestrując bowiem niezwykle słabe światło galaktyk odległych o wiele miliardów lat świetlnych przyglądamy się bowiem jednocześnie pierwszym galaktykom Wszechświata. Logicznie rozumując można by się spodziewać, że im dalej w głębiny Kosmosu zaglądamy, tym mniejsze i młodsze obiekty powinniśmy odkrywać – nie zawsze jednak wygląda to tak w rzeczywistości i tym samym mnożą się frapujące pytania odnośnie ewolucji galaktyk.
W najbliższych dniach na stronach fachowego pisma “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” opublikowana zostanie praca badawcza japońskiego zespołu, w którym główne skrzypce grał niejaki dr Tomotsugu Goto z National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) / University of Hawaii. Dr Goto wraz z kolegami dostąpili niewątpliwej przyjemności korzystania z potężnego teleskopu Subaru, którego zwierciadło główne ma niebagatelne 8,2 metra średnicy (czyniąc przy okazji teleskop największym na świecie w kategorii teleskopów wykorzystujących pojedyncze zwierciadło jako zwierciadło główne). Nic jednak w tym dziwnego, gdyż sam teleskop, zbudowany w ramach Mauna Kea Observatory na Hawajach, jest flagowym “pancernikiem” wspomnianej wyżej instytucji NAOJ, do której sam Goto i koledzy przynależą. Teleskop ten w ostatnim czasie został zmodernizowany – otrzymał nowoczesne, bardzo czułe detektory CCD, które otworzyły przed korzystającymi z niego astronomami nowe możliwości.
Naukowcom nie trzeba tego powtarzać dwa razy – dr Goto wraz z zespołem skwapliwie skorzystali z tych innowacji by przeprowadzić obserwacje, których realizacja wcześniej nie była możliwa. Wykorzystali ogromne zwierciadło Subaru do obserwacji najodleglejszych rubieży Wszechświata w poszukiwaniu młodych, formujących się dopiero galaktyk. Pamiętając o tym, co napisałem na początku wpisu, musieli pewnie nieźle się zdziwić, gdy w odległości ok. 12,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi (czyli – licząc od Wielkiego Wybuchu – zaledwie 900 mln lat po tym wydarzeniu) zaobserwowali galaktykę, której rozmiar porównywalny jest z rozmiarem naszej, wcale niemałej, Drogi Mlecznej.
Nie tylko jednak zaskakująca wielkość młodej galaktyki powoduje, że obiekt ten wart jest zainteresowania – w centrum nowo odkrytej galaktyki zdaje się bowiem znajdować supermasywna czarna dziura, której masa równa jest – bagatela – masie co najmniej ok. 1 miliarda naszych Słońc. W związku z tym robi się naprawdę ciekawie – w jaki sposób, w ciągu względnie krótkiego czasu, jaki naukowcy dają na rozwój pierwszym galaktykom, obserwowany obiekt urósł do tak wielkich rozmiarów i do tego w jaki sposób “wyhodował” wewnątrz siebie równie gigantyczną czarną dziurę?
Zarejestrowana przez japońskich badaczy galaktyka stała się zarazem najodleglejszą znaną nam galaktyką, która “wyposażona” jest w supermasywną czarną dziurę. Nie bez powodu odkrycia tej galaktyki dokonano właśnie przy zastosowaniu zmodernizowanego teleskopu Subaru – najnowocześniejsze detektory CCD pozwoliły na pokonanie największego problemu związanego z takimi obserwacjami: nie dość, że tak odległe obiekty są ledwo widoczne dla najpotężniejszych instrumentów, to jeszcze w przypadku supermasywnej czarnej dziury materia wokół niej zgromadzona generuje tak oślepiający strumień promieniowania, iż niezwykle trudno jest dostrzec jakiekolwiek szczegóły obiektu, w którym czarna dziura rezyduje. Nowoczesny sprzęt pozwolił jednak na pokonanie tej trudności – znacznie podwyższona w stosunku do starszych generacji czułość instrumentów pozwoliła na wyłowienie szczegółów dotyczących galaktyki, zawierającej monstrualną czarną dziurę (analiza danych pozwoliła oszacować na 30% udział samej galaktyki w świetle rejestrowanym, 60% to efekt aktywności czarnej dziury).
Jak wspomniałem na początku nie wiemy zbyt wiele o genezie pierwszych galaktyk, jeszcze mniej wiadomo o tym, w jaki sposób dochodziło do powstawania ogromnych czarnych dziur w ich jądrach. Odkryta przez japońskich astronomów galaktyka zdaje się całe zagadnienie jeszcze bardziej zaciemniać – mamy do czynienia z galaktyką bardzo dużą, zawierającą wielką czarną dziurę, oba obiekty musiał natomiast uformować się w rekordowym tempie, bo w końcu mówimy o czasie, gdy Wszechświat miał ok. 1/16 obecnego wieku. Japońscy astronomowie mają nadzieję, że przy pomocy zaawansowanego technologicznie oprzyrządowania uda im się zaobserwować więcej równie nietypowych galaktyk, co w końcu może pomóc badaczom w rozwinięciu hipotez o “dziecięcym” Wszechświecie i procesach, w ramach których Wszechświat stał się równie pięknym tworem, jaki możemy współcześnie obserwować.
Źródła:
Praca zespołu dr. Goto (format PDF)
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Link 5
Link 6
Link 7
Link 8
Link 9
Link 10
Grafika:Galaktyka QSO (CFHQSJ2329-0301), najodleglejsza znana nam galaktyka z supermasywną czarną dziurą. Jasna żółta plama w środku to supermasywna czarna dziura, czerwone “okolice” wskazują na obecność galaktyki-gospodarza (kolorystyka dodana w trakcie obróbki)
Źródło grafiki
Credit: Tomotsugu Goto, University of Hawaii
Kosmiczny Cenzor na cenzurowanym
10 sierpień 2009
Osławione czarne dziury jako jedne z bardzo niewielu egzotycznych “wynalazków” astrofizyków przebiły się do szeroko pojętej masowej świadomości – już sama zaprawdę chwytliwa nazwa, której powstanie jak się zdaje nie do końca poprawnie przypisuje się zmarłemu ponad rok temu wybitnemu amerykańskiemu fizykowi teoretykowi, Johnowi Archibaldowi Wheelerowi, brzmi mrocznie i niezwykle frapująco zarazem; fascynacja rośnie tym bardziej, im więcej niebywałych szczegółów je charakteryzujących poznamy. Jako skromny obserwator współczesnych dokonań astronomii mógłbym z łatwością założyć, że czarne dziury stały się “standardową”, akceptowaną jako “oczywistość” klasą obiektów kosmicznych, mija się to jednak w rzeczywistości z prawdą – autorzy artykułów popularyzujących fascynującą wiedzę o Wszechświecie (nie wykluczając tutaj mojej osoby, a jakże) popełniają nagminnie karygodny błąd, przyznając lekką ręką czarnym dziurom status obiektów ze wszech miar rzeczywistych i bezdyskusyjnie istniejących: trzeba jednak uczciwie przyznać, że istnieją nie od dziś teorie alternatywne, nie tak popularne, które nie przewidują dla czarnych dziur “zastosowania” we Wszechświecie.
To jednak temat na inną historię – załóżmy na potrzeby niniejszego tekstu, że czarne dziury istnieją nie tylko na papierze w formie równań. Postawmy następnie arcytrudne pytanie – czymże tak naprawdę taka czarna dziura jest? Dla amatora-laika, którym otwarcie się przyznając jestem, jest to pytanie z rzędu tych najgorszych – trudno nie odnieść wrażenia, że czarna dziura to w zasadzie czysta żonglerka matematyką, mająca bardzo mętne przełożenie na świat obiektów rzeczywistych. Dla umysłu “normalnego” człowieka, pomijając oczywiście geniuszów pokroju Stephena Hawkinga, czarna dziura jest czymś niewyobrażalnym, przekraczającym możliwości pojmowania. Bo cóż to znaczy, że czarna dziura to obiekt, w którym gęstość materii sięga nieskończoności i “zrywana” jest tkanka czasoprzestrzeni?
Brzmi bardzo abstrakcyjnie, trudno chyba zaprzeczyć. Definicja czarnej dziury nie stanowi jednak sporego zagwozdka tylko dla laika – to, co podobno tkwi w ich centrum, spędza także nie od dziś sen z oczu teoretykom fizykom. Zgodnie z ogólną teorią względności możliwym w zasadzie jest, by materia w pewnym punkcie przestrzeni kumulowała się w takim stopniu, by jej gęstość rosła nieuchronnie ku nieskończoności. Nieskończoności… Pojęcie to jest bardzo kłopotliwe dla fizyków i matematyków, czemu w sumie trudno się dziwić – uważa się zazwyczaj, że wartości nieskończone, wypluwane jako wynik równań jakiejś teorii stanowią jednocześnie jej smutny koniec: teoria, która prowadzi do takich rezultatów, musi być niekompletna, lub, co gorsza, błędna. Niewiele inaczej sprawy mają się w przypadku czarnych dziur – sam Einstein uważał, że jego teoria osiąga swój kres właśnie w przypadku osobliwości, czyli hipotetycznego obiektu, tkwiącego w samym środku czarnej dziury. Do opisu tej osobliwości jego teoria się nie nadaje – nie znamy też obecnie teorii, która taki opis potrafiłaby stworzyć, podobno – podobno! – ma nią być kiedyś kwantowa teoria grawitacji.
Osobliwości, kryjące się ponoć w czarnych dziurach, to tym samym prawdziwy postrach astrofizyków – zakładając, że osobliwości rzeczywiście istnieją, musimy pogodzić się również z tym, że znana nam fizyka załamuje się w ich obecności kompletnie i prawa fizyczne trzeba odstawić w kąt. Stawia to równocześnie wielki znak zapytania nad naszą wiedzą o Wszechświecie i próbami przewidywania jego przyszłości, skoro mogłoby w nim istnieć choć jedno miejsce, w którym prawa fizyka tracą rację bytu. Nie zapominajmy również o tym, że o ile czarne dziury to jeden problem, osobliwość zdaje się pojawiać również w przypadku zagadnienia o wiele większej wagi – samego Wielkiego Wybuchu, któremu podobno zawdzięczamy istnienie całego Wszechświata. Z tego między innymi względu wiele już lat temu fizycy teoretyczni gorączkowo poszukiwali rozwiązania tego palącego problemu – jednym z takich poszukiwaczy był Roger Penrose, wybitny matematyk i fizyk brytyjski, który wysunął tzw. hipotezę Kosmicznego Cenzora.
W 1969 roku Penrose postulował, że każda osobliwość (a więc i czarna dziura) musi z konieczności być otoczona przez tzw. horyzont zdarzeń, który możemy sobie wyobrazić jako hipotetyczną sferę, rozgraniczającą niejako Wszechświat na dwie części – część “wewnętrzną” czarnej dziury, z której nic, nawet samo światło nie może nigdy uciec, oraz część zewnętrzną, która zostaje w ten sposób niejako odseparowana od osobliwości. Dzięki temu sprytnemu założeniu Penrose uwolnił za jednym zamachem kosmologów od prawdziwego koszmaru – skoro każda osobliwość musi siłą rzeczy posiadać horyzont zdarzeń, staje się tym samym “ukryta” przed zewnętrznym Wszechświatem, a samej osobliwości nigdy nie da się zaobserwować. Tym samym wspomniany kosmiczny cenzor staje się samym Wszechświatem, który ratując swoją logikę wypycha osobliwości niejako poza swoją rzeczywistość.
Nie mam rzecz jasna żadnego pojęcia na jakiej podstawie Penrose wywnioskował, że każda osobliwość horyzont zdarzeń mieć musi, z pewnością też niewiele z tego byłbym w stanie zrozumieć, przypuszczam jednak, że nie było to po prostu założenie wyssane z palca. Zasada Kosmicznego Cenzora pozwoliła jednak naukowcom na spokojniejszy sen, zgarniając, mówiąc obrazowo, “nieczystość” osobliwości pod przysłowiowy kosmiczny dywan. Niestety dla kosmologów nie jest to wszystko takie całkiem proste – od wielu lat bowiem narwani naukowcy spekulując odnośnie możliwości istnienia tzw. nagich osobliwości.
Choć nie potrafię sobie w żaden sposób wyobrazić w jaki sposób taka osobliwość mogłaby się wizualnie manifestować (wyglądałaby jak gwiazda czy byłaby zupełnie niewidoczna?), przemawia do mnie jako tako mechanizm wytworzenia czegoś równie egzotycznego. Czarne dziury, mimo swej ponurej nazwy, nie są po prostu “otworami” w czasoprzestrzeni, które poza prostym istnieniem nie “zajmują się” niczym innym. Jak zdaje się to potwierdzać wiele pośrednich obserwacji w okolicach czarnych dziur rozgrywają się prawdziwie dantejskie sceny – ogromne ilości materii ogrzewają się do niebotycznych temperatur, wypromieniowując ogromne ilości promieniowania w trakcie swej podróży ku horyzontowi, przyciąganie przez miażdżącą siłę grawitacji czarnej dziury. To niezbywalna jakby cecha każdej czarnej dziury – jeśli tylko w jej otoczeniu istnieje odrobina materii, czarna dziura “nie spocznie”, póki nie “pożre” jej do ostatniego atomu.
W trakcie takich posiłków czarna dziura “grubnie”, tym samym zmuszona jest do aktywności (zupełnie jak my ludzie), by pokarm przetrawić – czarne dziury bardzo często wirują. I na tym właśnie opiera się cały pomysł z nagimi osobliwościami: co się stanie, gdy będziemy karmić taką dziurę stale materią (abstrahując od raczej niemożliwego do wykonania takiego eksperymentu), czy rosnąca prędkość wirowania nie doprowadzi w końcu do tego, że horyzont zdarzeń zostanie zniszczony i “odrzucony”? Jak się okazuje teoretycznie jest to rzeczywiście możliwe – zasilanie materią czarnej dziury może w końcu spowodować, że prędkość jej rotacji stanie się tak wielka, by odrzucić horyzont i… odsłonić “nagą osobliwość”. Przerażeni taką możliwością naukowcy wzięli się w te pędy za obliczenia i doszli ostatecznie do wniosku, że każda czarna dziura MUSI mieć pewien “wrodzony” limit prędkości obrotowej, która by zapobiegała takiemu niemiłemu scenariuszowi. Symulacje, które wykonywano dotąd wskazywały, że czasoprzestrzeń, “wleczona” niejako przez czarną dziurę w jej okolicy sprawiać musi, iż “dodawanie” materii staje się stopniowo coraz trudniejsze a wzrastająca siła odśrodkowa odrzuca materię zanim ta zdąży osiągnąć horyzont. Wydawać by się mogło, że po raz kolejny porządek świata został w ostatniej chwili uratowany.
Symulacje te jednak opierały się na pewnym odgórnym założeniu – bohaterkami symulacji były zawsze czarne dziury, który obracały się w trakcie “iniekcji” ze swą maksymalną dozwoloną prędkością. Inaczej do tematu podeszli tym razem dwaj naukowcy z University of Maryland (College Park, USA), Ted Jacobson oraz Thomas Sotiriou, którzy przygotowali symulację, w której dokarmiali czarną dziurę materię, krążącą wokół niej w tym samym kierunku co jej kierunek obrotu, i, co najważniejsze, czarna dziura wirowała z prędkością mniejszą niż dopuszczalny limit. Wyniki, jakie uzyskali, zdają się sugerować, że w takiej sytuacji w pewnym momencie horyzont może zostać zniszczony i odrzucony przez wyłaniającą się z tego rozgardiaszu nagą osobliwość.
Podobne scenariusze, jak się zdaje, nie mogą należeć do rzadkości we Wszechświecie – w końcu materia opada podobno w wielu miejscach na czarne dziury, choćby w centrach sporych galaktyk (choć w naszej jest raczej spokojnie). Nie można więc do końca wykluczyć, że – gdzieś w bezkresnych otchłaniach Kosmosu – istnieje osobliwość nieosłonięta horyzontem zdarzeń, łamiąc tym samym zasadę Kosmicznego Cenzora. Obaj naukowcy, odpowiedzialni za powyższe herezje, są jednak bardzo ostrożni w swojej konkluzji – ich zdaniem prawdopodobnie powinien istnieć jakiś inny, nieznany nam mechanizm, który Natura wykorzystuje, by uniknąć powstania nagiej osobliwości.
