Anomalia pozostaje tajemnicą
1 grudzień 2009
Swego czasu o Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC), gigantycznej machinie piekielnej zakamuflowanej w kazamatach szwajcarskiego instytutu naukowgo CERN, zadarzało mi się pisać i rzadziej i częściej (bardziej to drugie), z tego względu niektórzy z Was mogą być zaskoczeni tym, że i tym razem wpis o LHC jednak nie będzie – zbyt wiele hałasu, nawet w „szeroko dostępnych” mediach, wokół tej „maszyny końca świata” ostatnio było, by po raz kolejny mnożyć niepotrzebnie i tak już wtórne treści – wystarczy mi z wielkim zadowoleniem stwierdzić, że LHC ponownie działa po czternastu miesiącach przerwy, pierwsze wiązki w końcu spotkały się na swych przeciwbieżnych drogach a wszystko przebiegło zaskakująco dobrze – więcej nawet: dosłownie “przed chwilą” (informacja z wczoraj) urządzenie to ustanowiło rekord jeśli chodzi o energię przyspieszanych protonów, warto odnotować to i dlatego, że wbrew obawom sceptyków Ziemia jako taka ciągle istnieje i świat się nie skończył. Jeśli jednak tylko coś rzeczywiście ważnego w przyszłości w CERN’ie się wydarzy (pomijając, mam nadzieję, kolejną usterkę, mam tutaj na myśli bardziej przełomowe odkrycia) nie odmówię sobie przyjemności o tym rozwlekle jak to mam w zwyczaju napisać.
Szampańska fiesta społeczności naukowej związana z rozkręceniem LHC na dobre nie jest jednak jedynym godnym uwagi, choć niewątpliwie najgłośniejszym, wydarzeniem ostatnich dni i tygodni w świecie – do takich przynależy w moim mniemaniu również jak najbardziej fakt, któremu wspomnianej wyżej uwagi poświęcono o wiele mniej – dwa tygodnie temu, 13 listopada, w odległości niespełna dwóch i pół tysiąca kilometrów od naszej planety przemknęła sobie po cichutku sonda kosmiczna Rosetta.
Z pewnością samo wydarzenie jako takie nie rzuca na kolana i nie odbierze Wam spokojnego snu nocami, jednak to nie do końca tak, jak na pierwszy rzut oka wygląda – zazwyczaj mimo wszystko nie fatyguję się pisać o każdym przelocie sond kosmicznych wokół Ziemi (czy innej planety), musi więc chodzić o coś więcej. Niektórzy z Was pewnie już mogą przypuszczać, do czego zmierzam – do tzw. anomalii „fly-by”.
Angielskojęzycznym, a jakżeby inaczej, pojęciem „fly-by” określa się manewr, służący do – oględnie mówiąc – przyoszczędzenia kilku wcale niemałych groszy w przypadku misji kosmicznych. Ponieważ sondy badawcze to z założenia względnie niewielkie urządzenia i wszystkim naukowcom zależy na tym, by jak najwięcej aparatury pomiarowej w nich upchać, ogranicza się ilość paliwa niezbędnego do wykonania całej misji do niezbędnego minimum. Pomaga w tym niewątpliwie właśnie wykorzystanie mechanizmu „fly-by”, polegającego na tym, że sonda kierowana jest (nawet kilkakrotnie) po precyzyjnie obliczonej trajektorii w pobliże masywnego obiektu (w naszym Układzie Słonecznym świetnie nadaje się do tego na przykład Jowisz, Ziemia spełnia również swoje zadanie całkiem dobrze), gdzie sonda ta, uchwycona w grawitacyjne łapy planety nabiera „darmowo” prędkości i jak z procy wystrzeliwana jest w dalszą podróż. Poprzez kilkakrotne powtórzenie tego manewru można wydatnie przyspieszyć urządzenie bez inwestowania w to wszystko zbyt wiele energii. Można więc powiedzieć, że manewr „fly-by” oddaje nieocenione przysługi wszystkim operatorom misji badawczych. I mogłoby tak pozostać na wieki wieków, jednak poza korzyściami zawdzięczamy mu również jedną z najbardziej frapujących tajemnic współczesnej eksploracji kosmosu – mianowicie anomalię z nim związaną.
Jeśli jeszcze nie spotkaliście się z tym zagadnieniem, to pewnie zaskoczy Was fakt, iż nie jest to jakaś absolutna nowość – o istnieniu anomalii wiadomo już od niemal dwudziestu lat, tym bardziej może dziwić, że mimo najróżniejszych prób jej wyjaśnienia naukowcy ciągle są zasadniczo w tym samym miejscu, co wówczas – krótko mówiąc nie mają zielonego pojęcia co anomalię wywołuje. Anomalia „fly-by” polega w uproszczeniu na tym, że sondy kosmiczne, zbliżając się do Ziemi w celu nabrania prędkości, „głupieją” i ich prędkość zmienia się w sposób niezgodny z precyzyjnymi obliczeniami w oparciu o Ogólną Teorię Względności. Sondy niezwykle subtelnie zdają się przyspieszać – wartości o jakie zmienia się prędkość są niezwykle małe (rzędu milimetrów na sekundę), nie są to jednak wartości, które można by zaniedbać całkowicie (choć dla samej realizacji misji nie mają znaczenia) i jednocześnie wystarczają, by wykazać niezgodność z przewidywaniami.
Wszystko zaczęło się w grudniu 1990 roku, kiedy to sonda kosmiczna Galileo zbliżyła się do Ziemi na odległość niespełna tysiąca kilometrów, wykazując przy tym nieznanego pochodzenia zwiększenie prędkości o 3,92 mm/s w stosunku do wartości przewidywanej. Zaskoczeni naukowcy sprawdzili wszystkie możliwości – wykluczono błędy pomiarowe, obliczeniowe lub inne możliwe przyczyny, nie udało się również znaleźć sensownej odpowiedzi na pytanie, dlaczego sonda zwiększyła prędkość. Kiedy ta sama sonda przybliżyła się ponownie do naszej planety w 1992 roku, była zbyt blisko (300 km nad powierzchnią), poprzez co znalazła się w wysokich warstwach ziemskiej atmosfery, tym samym wiarygodne pomiary tajemniczego efektu nie były po prostu możliwe.
Kilka kat później, bo w 1998 roku, sonda NEAR Shoemaker przelatując obok Ziemi wykazała największe zmierzone dotąd zwiększenie prędkości – „aż” o 13,46 mm/s. W 2005 roku sonda Rosetta, w odległości niemal dwóch tysięcy kilometrów od planety, przyspieszyła o zaledwie 1,82 mm/s. To jednak nie wszystko – obraz zdaje się zaciemniać dodatkowo zaskakujący fakt, iż zwiększenie prędkości nie dotyczyło wszystkich sond, gorzej nawet, nie zostało stwierdzone w przypadku wszystkich przelotów jednej i tej samej sondy. Pierwszy przypadek dotyczy na przykład przelotu sondy Messenger w sierpniu 2005 roku, kiedy zmierzona wartość była zbyt mała, by wyjść poza ramy możliwego błędu pomiarowego. Najciekawiej jednak przedstawia się historia wspomnianej na początku Rosetty – o ile w 2005 roku, podczas poprzedniego przelotu, sonda ta przyspieszyła, o tyle podczas kolejnego naukowców spotkało rozczarowanie – w 2007 roku zmian prędkości nie zanotowano.
Można więc łatwo się domyśleć, że badacze zainteresowani rozwiązaniem zagadki anomalii z niecierpliwością wyczekiwali na listopad tego roku, kiedy to sonda Rosetta po raz ostatni zbliżyła się do Ziemi, by nabrać prędkości dla swego wojażu ku komecie okresowej 67P/Czuriumow-Gierasimienko, ku której w końcowej fazie projektu (w roku 2014) wysłany zostanie lądownik Philae. Oczekiwano nowych rewelacji, tymczasem… sonda zachowała się tak jak poprzednio, czyli „zwyczajnie”.
Analiza danych zebranych przez naukowców śledzących przelot sondy w pobliżu Ziemi, dokonana wspólnie przez agencje kosmiczne NASA i ESA, wykazała, iż nie ma mowy tym razem o jakimkolwiek odchyleniu od przewidywanych wartości. Wszystko przebiegło zgodnie z planem i obliczeniami, tym samym tajemnica ciągle pozostaje nierozwiązana i poczekamy jeszcze trochę na jakieś konkretne wnioski (jeśli w ogóle kiedyś ją rozwikłamy).
Pomysłów związanych z anomalią „fly-by” w ciągu minionych 20. lat było naprawdę wiele – agencje kosmiczne przeprowadzały szeroko zakrojone i bardzo skrupulatne badania, które pozwalały im zawsze wykluczać przyczyny leżące po naszej stronie, czy to związane z błędami sprzętowymi, oprogramowania czy obliczeniowymi. Odważniejsi naukowcy sugerowali coraz bardziej szalone wersje zdarzeń, między innymi chciano kwestionować podstawy współczesnej fizyki, związane z Ogólną Teorią Względności. Rozważano na przełomie lat wiele frapujących propozycji – jedne z nich rozważały wpływ sił pływowych naszej planety na obiekty w jej pobliżu, inne za winowajcę uznawały ciśnienie promieniowania emitowanego lub reflektowanego przez Ziemię, skrajni fantaści w tym miejscu widzieli nawet sławetną ciemną materię lub ciemną energię. Swego czasu pojawił się interesujący w rzeczy samej pomysł – stworzono wzór obliczeniowy, który brał pod uwagę wpływ kąta, pod jakim sonda zbliża i oddala się w stosunku do równika naszej planety, jednak kiedy Rosetta w 2007 nie wykazała żadnego odchylenia, równanie i to równanie okazało się niewypałem. Innym obiecującym rozwiązaniem może być założenie, że tzw. wleczenie czasoprzestrzeni przez ruch obrotowy Ziemi jest silniejszy, niż się spodziewano.
Niezależnie jednak od tego, czy istnieją obiecujące pomysły czy też nie, jedno pozostaje faktem – od dwudziestu lat nikt nie podał wyczerpującego wyjaśnienia dla anomalii. Choć może w końcu się okazać, że to coś naprawdę kuriozalnego lub banalnego, to póki co nie mamy pojęcia, z czym mamy do czynienia. A czym byłaby nauka bez tajemnic?
Źródła:
Link 1
Link 2
Grafika: Sonda Rosetta
Źródło grafiki
Credit: ESA/AOES Medialab
Piorunujący rozpad pozytonów
13 listopad 2009
Niewątpliwie Wszechświat stanowi niewyobrażalnie wielką scenę, na której rozgrywają się spektakularne, pełne rozmachu i dramatyzmu zjawiska, wszystko to jednak odbywa się tak daleko stąd i pozornie tak powoli, że niezwykle trudno przy pomocy naszych ograniczonych zmysłów pojąć, jak gwałtowne i brutalne w rzeczywistości mogą być takie „kosmiczne fajerwerki” – wystarczy pomyśleć tutaj choćby o gigantycznych kosmicznych kolizjach, w efekcie których uczestnicy takiego karambolu zmieniają zupełnie swe oblicza. Istnieją jednak również zjawiska, które nawet w porównaniu do maleńkiego przedziału czasowego, jakim dysponują zazwyczaj ludzie za swego życia, są niezwykle krótkie – czymś takim są z pewnością tzw. rozbłyski gamma (skrótowo GRB od angielskiego „Gamma-Ray Burst”), w przypadku których te najkrótsze trwają nawet drobne ułamki sekund.
Rozbłyski gamma, których zasadniczy podział wiąże się właśnie z czasem ich trwania (błyski krótkie, trwające mniej niż 2 sekundy oraz błyski długie, trwające dłużej, nawet do godziny) to, zgodnie z obecnym stanem naszej wiedzy, echa odległych, niezwykle gwałtownych zjawisk, związanych z eksplozjami supernowych oraz łączeniem się ze sobą tak egzotycznych obiektów, jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Warto tutaj wspomnieć, że energia wydzielana w trakcie tych zdarzeń musi być wprost niewyobrażalna – przytoczę na rzecz tego choćby dość aktualny i świeży argument taki, że kilka miesięcy temu zaobserwowany rozbłysk gamma (GBR090423) stanowi najprawdopodobniej ślad najodleglejszego obiektu, jaki kiedykolwiek zaobserwowaliśmy we Wszechświecie; biorąc pod uwagę ogromny dzielący nas od niego dystans i to, że błysk został dostrzeżony, wydzielona energia musiała być przeogromna. Błędem byłoby jednak przypuszczenie, że wysoce energetyczne promieniowanie gamma, rejestrowane siłą rzeczy w trakcie takich błysków, na wyłączność powiązane jest z dramatycznymi kosmicznymi katastrofami.
Wraz z nadejściem mrocznej epoki atomu człowiek stworzył niszczycielskie narzędzie, które – poza całym asortymentem innych morderczych efektów – wydziela również promieniowanie gamma. Broń jądrowa to jednak tylko jeden z przykładów – promieniowanie to ma również (pomijam tutaj astronomię i rejestrację promieniowania w celach badawczych) zastosowanie w medycynie i przemyśle. O ile jednak nie wydaje się to specjalnie zaskakujące, to pewnie nie każdy wie o tym, że błyski gamma nie są charakterystyczne tylko dla odległych otchłani Wszechświata – mamy do czynienia z nimi również zupełnie blisko, bo w naszym bezpośrednim sąsiedztwie na Ziemi.
Oczywiście takie porównanie może na pierwszy rzut oka wydawać się mocno naciągane – w żadnym wypadku nie można postawić obok siebie kosmicznych rozbłysków gamma (GRB) i tzw. ziemskich błysków gamma (TGFs, z angielska „Terrestial Gamma-ray Flash”). Zarówno przyczyny, skala jak i charakterystyka tych błysków są zupełnie odmienne, niemniej jednak istnienie błysków gamma na Ziemi jest niezaprzeczalnym faktem.
Po raz pierwszy błyski TGF zarejestrowane zostały już we wczesnych latach 90-tych dwudziestego wieku, kiedy to amerykański satelita Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), wypełniający poczciwie swą misję do 2000 roku, kiedy to zakończył żywot w Oceanie Spokojnym, kątem oka zapewne zauważył takie błyski „za plecami” w atmosferze ziemskiej; kolejnym instrumentem badawczym, który zarejestrował dotąd aż ok. 800 takich błysków, jest satelita RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) , którego zadaniem jest zasadniczo obrazowanie aktywności słonecznej w zakresie promieniowania rentgenowskiego i gamma. Można więc powiedzieć, że ziemskie błyski gamma nie są niczym specjalnie nieoczekiwanym ani zajmującym – ostatnie dni jednak pokazały, jak niewiele naprawdę o nich wiemy.
Kosmiczny teleskop FERMI w ciągu pierwszych 14 miesięcy swej „działalności” zarejestrował do chwili obecnej 17 błysków gamma „ziemskiego” pochodzenia. W trakcie tegorocznego „FERMI Symposium”, konferencji speców wykorzystujących teleskop w swej pracy zawodowej, jeden z nich – niejaki Michael Briggs z University of Alabama w Huntsville (USA), który, nawiasem mówiąc, fizykiem jest mocno nietypowym (od 10 lat jest aktywny jako „oblatywacz” eksperymentalnych maszyn na usługach amerykańskiego US Air Force), przedstawił piątego listopada w ramach swego referatu frapujące wyniki obserwacji, dotyczące dwóch z wspomnianych wyżej kilkunastu błysków.
Warto w tym miejscu może byłoby wreszcie zdradzić, skąd owe błyski energetycznego promieniowania w ogóle się biorą, a przynajmniej jakie są nasze podejrzenia odnośnie ich przyczyn. Wedle najlepszej współczesnej wiedzy błyski TFG pozostają w ścisłym związku ze zjawiskiem każdemu z nas z pewnością znanym – burzami. Do rejestracji błysków dochodzi bowiem zazwyczaj bezpośrednio przed, w trakcie lub też natychmiast po zarejestrowaniu skądinąd znanych każdemu piorunów. Naukowcy przypuszczają, że błyski TFG inicjowane są czasem (swoją drogą dlaczego nie za każdym razem?) w górnych warstwach chmur burzowych a zjawisko ma związek z polem elektrycznym, towarzyszącym nieodłącznie burzom. Wedle naukowców spierających się jeszcze co do szczegółów zasadniczo dochodzi do przyspieszenia elektronów, które złapane zostaną w okowy takiego pola, następnie owe niezwykle szybkie elektrony zderzają się z cząsteczkami powietrza, powodując emisję promieniowania gamma, zdarzyć się również może, że elektrony takie „wybijają” elektrony z tych cząsteczek, wywołując „lawinę” cząstek w polu elektrycznym. Ponieważ szczegóły są dla mnie jednak dość mętne i niewiele z tego zrozumiem, pozostawię eksplorację szczegółów ambitniejszym czytelników.
Jakby jednak nie było – ziemskie błyski gamma powiązane są z piorunami, to wydaje się być raczej pewne. Wspomniany wyżej Briggs nie chciał jednak o tym snuć swych rozważań – wiadomo o takim związku nie od dziś, pilot USAF poinformował zaskoczonych słuchaczy, że dwa z siedemnastu błysków gamma, zarejestrowanych przez teleskop FERMI, wskazywały na związaną z nimi emisję… antymaterii.
W trakcie dwóch obserwowanych nie tak dawno burz teleskop zarejestrował emisję promieniowania gamma o ściśle określonej energii (dokładniej mówiąc 511 keV), które mogło zostać wyemitowane – zgodnie z naszą obecną wiedzą – wyłącznie w trakcie rozpadu pozytonów, inaczej mówiąc odpowiedników elektronów w przeciwnym „obozie” antymaterii. Po raz pierwszy w historii dokonano takiej obserwacji – naukowcy głowią się obecnie nad tym, jaki mechanizm kryje się za zaskakującym faktem kreacji antymaterii w trakcie burzowej zawieruchy. Niezwykła sygnatura pozytonów zdaje się póki co sugerować, że dochodzić musi w jakiś sposób do odwrócenia zwyczajnej orientacji pola elektrycznego, powiązanego z burzą.
Briggs opracowuje obecnie wyniki swych obserwacji, przygotowując je do druku. Aktualnie brak godnego uwagi opisu zjawiska, wygląda na to, że zapracowanym fizykom trzeba będzie dać trochę czasu na opracowanie teoretycznego wyjaśnienia, wiążącego burze z antymaterią. Niewątpliwie jednak jest to ciekawe odkrycie – kto wie, może w trudnej do przewidzenia przyszłości ułatwi ono fizykom opracowanie nowych, dotąd nieznanych sposobów kreacji antymaterii, co byłoby alternatywą dla wielce mozolnego procesu wykorzystywanego choćby w ośrodku CERN.
Źródła:
Link 1
Tajemnicze barwy Wszechświata #9
28 wrzesień 2009
Jeśli mnie moja zawodna coraz częściej pamięć nie myli nad pięknem otaczającego nas Wszechświata zdarzało mi się rozwodzić nie raz i nie dwa, a nawet prawdopodobnie i nie trzy – było tego, krótko mówiąc, trochę. Dla niektórych z Was to z pewnością czystej wody truizm, który powoli robi się (albo już zrobił) męczący, nie zamierzam jednak zaprzestać niesienia kaganka oświecenia pozostałym, żyjącym w nieświadomości zapierającej dech w piersiach doskonałości, która kryje się w niemal każdym zakątku, czy to bliskim czy to bardzo odległym, Kosmosu. Cóż, czasem trzeba trochę pomęczyć aby pokazać, że Wszechświat to nie tylko mroczne pustki, pozornie bzdurne i bezsensowne teorie i sterty zawiłych obliczeń, ale także ujmująco proste, obezwładniające i eleganckie piękno.
Nie chcąc być gołosłownym w niniejszym znakomitym cyklu prezentuję dziś takie oto zdjęcie na poparcie tej tezy.
Dziura, której nigdy nie było
21 wrzesień 2009
Dość przypadkowe w rzeczy samej odkrycie mikrofalowego promieniowania tła (CMB, Cosmic Microwave Background) w 1965 roku przez dwóch pracowników (nagrodzonych za to dokonanie nagrodą Nobla A.A. Penziasa i R.W. Wilsona) laboratoriów badawczych amerykańskiej firmy Bell Telephone można śmiało uznać za przełomowy moment o nieocenionym znaczeniu dla rozwoju “młodej”, nowożytnej kosmologii. Potwierdzając empirycznie i niezaprzeczalnie istnienie przewidywanego wcześniej przez niektórych teoretyków (n.p. wybitnego fizyka Georga Gamowa) promieniowania, będącego reliktem wczesnego, gorącego Wszechświata (stąd zamiennie stosowana jest również często nazwa “promieniowanie reliktowe”), kosmologowie otrzymali w końcu do swych rąk potężne narzędzie, które nie dość, że było samo w sobie bardzo mocnym argumentem na rzecz poprawności hipotezy Wielkiego Wybuchu, to z czasem stało się szeroko otwartym “oknem na Wszechświat”, pozwalającym – wraz z rozwojem coraz bardziej zaawansowanych technologii pomiarowych – precyzyjniej poznawać strukturę i własności Wszechświata takiego, jakim był w “niemowlęcym wieku” ok. 380 tysięcy lat.
Prezentowana powyżej grafika z pewnością choć po części uzmysławia, w jakim stopniu rozwijająca się przez dekady technika pozwoliła poznawać z coraz większą rozdzielczością rozkład promieniowania, dobiegającego do Ziemi ze wszystkich kierunków. U samej góry można zauważyć coś, co próbuje jako tako przypominać “mapę” – dane zebrane przez wspomnianych wcześniej Penziasa i Wilsona w zamierzchłych latach sześćdziesiątych to w zasadzie jednolity szum, przedzielony na dwie połowy przez “zakłócające” promieniowanie rejestrowane w płaszczyźnie Drogi Mlecznej. O ile kolejna, wykonana po wieloletniej przerwie, mapa rozkładu CMB zarejestrowana przez amerykańskiego satelitę COBE (COsmic Background Explorer) na początku lat 90-tych minionego wieku pozostawia ciągle wiele do życzenia i w bardzo niedokładny sposób prezentuje różnice w temperaturze promieniowania, o tyle legendarna już w sumie mapa, zaprezentowana z wielką pompą w dniu 11 lutego 2003 roku a wykonana przez również amerykańskiego satelitę WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) powala swoją rozdzielczością, pozwalając badaczom na snucie najrozmaitszych rozważań o naturze Kosmosu. A to jeszcze nie koniec – o ile satelita WMAP pozwalał na zarejestrowanie różnic w temperaturze promieniowania o wartości ok. 0,00001 Kelwina, o tyle wysłany wiosną tego roku przez Europejską Agencję Kosmiczną w przestrzeń kosmiczną satelita PLANCK (no w końcu Europa coś zdziałała) powinien umożliwić 50-krotne zwiększenie rozdzielczości w stosunku do poprzednika (kilka zaledwie dni temu instrument ten “otworzył oczy” po raz pierwszy, co wyszło podobno całkiem nieźle).
Aby lepiej zrozumieć dalszą treść wpisu konieczne jest teraz – w dużym uproszczeniu charakterystycznym dla moich amatorskich wywodów – krótkie omówienie zawartości samej mapy, tych kolorowych, bezładnie rozsypanych na mapie plamek. Jak stwierdziłem wcześniej – CMB to mikrofalowe promieniowanie reliktowe (o temperaturze ok. 2,75 Kelwina), które dociera do Ziemi z każdej strony, przy czym biegnąca przez środek mapy gruby czerwony pas odpowiada promieniowaniu naszej Drogi Mlecznej. Promieniowanie to wypełnia “szczelnie” Wszechświat i uważa się, że jest to pozostałość po bardzo wczesnej fazie istnienia Wszechświata, okresie, w którym doszło do, mówiąc dość oględnie, oddzielenia się materii od promieniowania. Moment ten ma wielkie znaczenie choćby z tego jednego względu, że Wszechświat stał się wówczas “przezroczysty” dla promieniowania, po raz pierwszy w swej historii, umożliwiając promieniowaniu swobodną podróż przez przestrzeń.
Na pierwszy pobieżny rzut oka, spoglądając na mapę CMB, można zauważyć na niej chaotyczną mozaikę zmierzających do dwóch przeciwstawnych barw – czerwonej i niebieskiej – plamek. Te odmienne barwy plamek to nic innego jak zarejestrowane przez instrumenty badawcze różnice w temperaturze promieniowania, inaczej – po chłopsku – mówiąc im bardziej dana plamka jest niebieska, tym większe odchylenie od średniej temperatury CMB “in minus”, w przypadku barwy czerwonej przeciwnie. Oczywiście mowa tutaj o mikroskopijnych wręcz odchyleniach – nie wolno nam tutaj zapomnieć, że w przypadku mapy WMAP chodzi o dziesięciotysięczne części Kelwina.
Można by na podstawie tego – jak się okazuje błędnie – założyć, że tak niewielkie różnice w zasadzie nie mają żadnego znaczenia dla nikogo. Jednak dla kosmologów właśnie te odchylenia stanowią niezwykłą skarbnicę wiedzy – mapa CMB stanowi bowiem unikalne i niepowtarzalne odwzorowanie niezwykle małych różnic w gęstości materii w bardzo wczesnym Wszechświecie. Upraszczając sprawę można bowiem powiedzieć, że im gęściej materia zgromadzona, tym większa temperatura danego regionu Kosmosu. Tym samym dzięki CMB naukowcy mogą na własne oczy (no, powiedzmy) “zobaczyć”, jak bardzo jednorodny i izotropowy był Wszechświat w swym niemowlęcym wieku, jak niezmiernie małe były różnice w rozkładzie materii, niezmiernie małe, a jednak na tyle decydujące, że właśnie te różnice w gęstości stały się w końcu źródłem wszystkich struktur które obserwujemy we Wszechświecie.
W 2004 roku naukowcy badający pieczołowicie rozkład CMB na podstawie danych uzyskanych przez satelitę WMAP odkryli coś zgoła mocno nieoczekiwanego – na południowej hemisferze, w gwiazdozbiorze Erydanu znaleźli obszar, który był “znacznie” chłodniejszy, niż teoretycznie powinien być - chodziło o wartość mniejszą od przeciętnej o “zaledwie” 70 mikrokelwinów, co prawda pozornie bardzo niewiele, jednak pozory jak to zwykle bywa całkowicie mylą – w przypadku CMB takie odchylenie było czymś niezwykłym. Co gorsza, prawdopodobieństwo wystąpienia takiego obszaru było znikomo małe, przy założeniu, że Wszechświat jest taki, jaki nam się zdaje. Wszystkie obszary CMB powinne, zgodnie z tym rozumieniem, mimo niewielkich odchyleń, przebiegać ten sam proces rozwoju i tak “chłodnego” miejsca na mapie CMB po prostu nie miało prawa być.
I się zaczęło – astronomowie zaczęli pełni zapału prześcigać się w spekulacjach co do przyczyny takiej anomalii, którą nazwano finezyjnie “zimnym punktem” lub, zamiennie, “zimną plamą”. Pomysły, jakie wówczas się zrodziły, mogą przyprawiać o zawrót głowy: była mowa o “superpustce”, kryjącej się za chłodnym obszarem, osiągającej niewyobrażalny rozmiar setek milionów lat świetlnych, jak i nawet o równoległym Wszechświecie. Już wówczas jednak pojawiły się również nieliczne głosy sceptyków, którzy wskazywali na bardzo “naturalne” pochodzenie “ciemnej plamy”. Zdaniem tych badaczy wszystkiemu winne były… metody statystyczne służące do analizowania mapy.
Mijały lata i spekulacje nie cichły – nikt tak naprawdę nie wiedział, czym jest sławetna “zimna plama”. Tymczasem niedawno ukazała się praca badawcza duetu naukowców Raya Zhanga oraz Dragana Huterera z University of Michigan w Ann Arbor (USA), w której obaj panowie udowadniają, iż w istocie to właśnie statystyczne metody są wszystkiemu winne – w szczególności egzotycznie brzmiąca metoda “Spherical Mexican Hat Wavelet” (niestety nie mam pojęcia jak to przetłumaczyć, znalazłem u wujka Google tylko mętne pojęcia metody “kapelusza meksykańskiego”, coś o “falkach” no i mamy jeszcze sferyczność, nie podejmuję się chybionego z pewnością tłumaczenia całości), która stosowano do analizy obrazu CMB. To właśnie ta metoda wytwarza niejako “zimną plamę”, zakłamując w sumie uzyskiwane dane, bowiem przy zastosowaniu innych metoda plama ta w ogóle się nie ukazuje lub przynajmniej nie jest zimniejsza niż przeciętne inne obszary.
Jest to o tyle ciekawe, że zmusza do zastanowienia nad ogólną wartością wyników zróżnicowanych badań naukowych (nie tylko kosmologicznych czy astronomicznych), które wykorzystując nierzadko niezwykle skomplikowane metody analizy mogą sobie literalnie “same strzelić gola”. Oczywiście “wpadka” związana z “zimną plamą” nie przekreśla całokształtu wiedzy o mikrofalowym promieniowaniu tła – nikt nie wykazał ani pewnie nie próbuje wykazać, że cała nasza wiedza o CMB jest po prostu wynikiem błędu, wskazuje to jednak na niezwykłą wagę pieczołowicie powtarzanych i potwierdzanych eksperymentów, dzięki którym możemy się upewnić, że nie popełniliśmy błędu.
Spójrzmy więc po raz ostatni na sławetny “cold spot” – zależnie od preferencji hipotetyczną “superpustkę” we Wszechświecie lub ślad równoległej rzeczywistości – jako na artefakt metody statystycznej…
Źródła:
Link 1
Grafika 1 (u góry wpisu): Porównanie rozdzielczości map CMB na przestrzeni kilkudziesięciu ostatnich lat
Źródło grafiki
Credit:Wikipedia
Grafika 2 (na dole wpisu): Tak, to właśnie złowroga “zimna plama”…
Źródło grafiki
Credit: PD-USGOV/Wikipedia
Górnikiem na Księżycu być
3 lipiec 2009
Zewsząd bombardowani jesteśmy wielce ponurymi przepowiedniami, zgodnie z którymi najbliższe dziesięciolecia będą epoką istnego “wyczerpywania” – zabraknąć ma (choć w tym akurat przypadku opinie są mocno zróżnicowane) wszelakich paliw kopalnych, życiodajnej wody, pożywienia, idąc dalej wczoraj zaledwie w świeżutkim, lipcowym “Świecie Nauki” natknąłem się na artykuł, zgodnie z którym za kilkadziesiąt lat zabraknie również fosforu, bez którego współczesna produkcja żywności nie ma racji bytu. Są to tylko wybrane przykłady – przysłuchując się temu, co mają do powiedzenia tzw. specjaliści-progności, musimy liczyć się w tym stuleciu z notorycznym brakiem kolejnych elementów, skądinąd niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania naszej cywilizacji, przynajmniej w oparciu o technologie, które znamy obecnie. Dyskusje na temat zasadności tych czarnych wizji można prowadzić w nieskończoność – wśród nas znajdą się i tacy, którzy uważają takie prognozy za zbyt pobłażliwe i wypatrują cywilizacyjnej zapaści w najbliższych latach (czyżby w 2012 roku?) jak i tacy, którzy naśmiewają się z nich tylko, bagatelizując wszelkie obawy panikarzy. Jak zwykle to bywa – prawda znajduje się zapewne gdzieś po środku, nie mojej skromnej osobie też oceniać, kto ma rację.
Jednym z ważnych pierwiastków “cywilizacyjnych”, i to pod dwoma zupełnie odmiennymi względami, jest uran. Pierwsze skojarzenia narzucają się same – zabójcze bomby atomowe i groźne elektrownie atomowe asocjowane są automatycznie z tym pierwiastkiem. Oba skojarzenia są też skądinąd całkiem trafne – to dzięki uranowi rosnąca grupa krajów zabawia się we własnych ogródkach z bronią jądrową i to dzięki temu pierwiastkowi posiadamy narzędzie, które, gdyby zsumować skuteczność wszystkich wielu tysięcy głowic, potrafiłoby w mgnieniu oka zamienić naszą planetę w pustynię. Z drugiej, jaśniejszej mimo wszystko strony – choć energia jądrowa budzi stale wiele kontrowersji, póki co elektrownie atomowe stanowią rzeczywiście względnie czyste i efektywne źródło energii.
Uran można uznać za pierwiastek “nieodnawialny”, nie powstaje bowiem ot tak w trakcie skraplania pary wodnej i nie pojawia się po prostu znikąd – tym samym oczywiste jest, że kiedyś po prostu, wraz z postępującym wykorzystaniem, musi go zabraknąć. Wiele wskazuje na to, że prędko się to nie stanie, nigdy jednak nie dość dostatku, z pewnością więc niektórzy odetchną z ulgą na wiadomość, że odkryto właśnie spore złoża tego pierwiastka, problemem może być jedynie kwestia wydobycia, gdyż futurystycznych górników wydelegować musielibyśmy na… Księżyc.
Z pewnością pamiętacie jeszcze informacje medialne sprzed niespełna miesiąca (dokładniej mowa o 10. czerwca), kiedy to trąbiono wszem i wobec o tajemniczej sondzie kosmicznej, która pojawiła się znikąd z jednym, ostatecznym dla niej celem – rozbiciem się o powierzchnię Srebrnego Globu. Oczywiście żartuję – sonda nie istniała po prostu wcześniej w świadomości szerszej publiki, wystrzelona została bowiem już w 2007 roku z misją badania Księżyca. Sondą tą była KAGUYA, japoński projekt, wyniesiony na orbitę w 2007 roku przez agencję kosmiczną JAXA z kosmodromu Tanegashima w Japonii. Urządzenie zostało wysłane na orbitę Księżyca w celu szeroko zakrojonych badań naszego najbliższego kosmicznego sąsiada – na zakończenie bardzo udanej misji zdecydowano, że satelita rozbije się o powierzchnię Księżyca (ostatnie chwile przed zderzeniem “oczami” Kaguyi można obejrzeć tutaj, trochę przytłaczające wrażenie prawdę mówiąc ten film robi). Zanim jednak sonda zamieniła się w kupkę złomu i stała się na wieki częścią Księżyca, dokonała niezliczonych pomiarów i badań, jeden natomiast z jej instrumentów badawczych – tzw. spektrometr promieniowania gamma (Gamma Ray Spectrometer, GRS) posłużył do oszacowania, z niespotykaną dotąd dokładnością, składu pierwiastkowego powierzchni Księżyca.
Na podstawie danych, zebranych w czasie mniej więcej 2.100 godzin pomiarów, dokonywanych przez Kaguyę krążącą niestrudzenie na wysokości ok. 100 km nad powierzchnią Srebrnego Globu, stworzono mapę księżycowych surowców o niespotykanej dotąd dokładności. Wiedziano już bowiem wcześniej (choćby w efekcie programu Apollo), że powierzchniowe warstwy Księżyca składają się ze zróżnicowanych pierwiastków (bo zapewne nie jest to ciemna materia, jak niektórzy – szczególnie w stosunku do niewidocznej strony – mogliby podejrzewać), takich jak magnez, wapn, krzem, tytan czy trywialne w sumie żelazo. Dopiero Kaguya jednak, dzięki bardzo zaawansowanemu technicznie spektrometrowi, pozwoliła z rewelacyjną dokładnością oszacować, gdzie dany pierwiastek występuje i w jakich ilościach. Nigdy jednak przedtem nie stwierdzono bezpośrednio istnienia na Księżycu uranu.
Spore złoża uranu, zgodnie z pomiarami Kaguyi, znajdują się w powierzchniowych pokładach ogromnego morza księżycowego Oceanus Procellarum (Morze Burz), wielgachnej ciemnej plamy, widocznej doskonale na Księżycu w górnej, zachodniej jego części. Sporo uranu znajduje się również w basenie Biegun Południowy – Aitken, swoją drogą drugim największym znanym nam kraterze uderzeniowym nie tylko na Księżycu, ale i w całym Układzie Słonecznym (2.500 km średnicy!). Co ciekawe, pierwiastek ten zdaje się zazwyczaj tworzyć trio wspólnie z potasem i torem.
W kontekście tego odkrycia przypomina mi się dowcip: dlaczego Amerykanie nie wysłali jeszcze misji załogowej na Marsa? Bo dotąd nie odkryto tam złóż ropy naftowej. Podobnie wygląda to i tym razem – zapewne w głowach poniektórych bystrych biznesmenów włączyły się układy alarmowe i sztaby jajogłowych układają już misterne plany wydobycia i transportu cennego surowca na Ziemię, by tam sprzedawać go za spore pieniądze. Co prawda do realizacji takich zamysłów droga jeszcze pewnie daleka, jednak prędzej czy później z pewnością do tego dojdzie. Aż strach pomyśleć – pamiętacie taki film “Pamięć Absolutna” z niezapomnianym Arnoldem S. w roli głównej?
Streszczenie pracy naukowców z zespołu Kaguya
