Zdmuchnąć świecę (standardową)
22 luty 2010
Świadomość tego, że dla porażającej większości istot ludzkich już sam dźwięk słowa „nauka” stanowi wystarczający powód do mimowolnego kręcenia nosem i rozpaczliwego poszukiwania sposobu ewakuacji z niewygodnej dla nich konwersacji, nie jest z pewnością naprzyjemniejszym doznaniem, na jakie na co dzień jestem narażony. Od razu dodam asekurancko – „nauka” w powyższym kontekście to bynajmniej nie katorżnicze zakuwanie materiałów edukacyjnych w trakcie zdobywania swego wykształcenia, w tym przypadku bowiem nie mogę sam udawać Greka i opowiadać bzdur o tym, jak bardzo uwielbiałem się swego czasu uczyć (bo nie lubiałem, taka okrutna to prawda) – mam raczej na myśli w tym konkretnym przypadku „naukę” jako pojęcie ujmujące całokształt naszej, gromadzonej od tysięcy lat, wiedzy o Wszechświecie. Nieskrywana niechęć przytłaczającej większości społeczeństwa do tematów związanych z wiedzą naukową wydaje mi się co najmniej dziwna – skądinąd uważam, że ciekawość jest mimo wszystko jednym z naszych wrodzonych instynktów i w takim świetle zupełny brak zainteresowania dokonaniami najtęższych głów może mocno zastanawiać.
Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest zapewne królujące wśród wielu ludzi przekonanie, że „nauka” to takie skostniałe „coś”, co w zasadzie już mniej lub bardziej dawno zostało raz na zawsze zbadane, „stwierdzone” i ustalone, a cała robota współczesnych naukowców polega na tym, by dopieszczać szczegóły i ewentualnie wygładzać nierówności na tym nieskazitelnym tworze. Z tego względu „nauka” jawi się wielu jako coś niezmiernie nudnego, wypranego zupełnie z dynamiki, nagłych zwrotów i zmian – rzeczy, które w rzeczywistości są charakterystyczne dla kształtowania wiedzy ludzkości i bez których postep jako taki nie byłby chyba możliwy. Nie bez kozery ten przydługi wstęp kończę zdaniem o „nagłych zwrotach”, gdyż słowa te jak ulał pasują do tematu dzisiejszego wpisu.
O tzw. świecach standardowych pisałem już kilkakrotnie, w wielce telegraficznym skrócie przypomnę więc tylko, że tym mianem nazywane są obiekty w Kosmosie, dzięki których dobrze poznanej charakterystyce i powtarzalności ich zachowania możemy w miarę dokładnie określać odległości w ogromnych skalach. Świecami standardowymi są między innymi tzw. supernowe Ia, o których również nie raz i nie dwa już pisałem. Supernowe Ia to supernowe mocno specyficzne – zgodnie z aktualnie wiodącą teorią to białe karły posiadające partnera w postaci gwiazdy –olbrzyma zasysające niejako materię od większego kooperanta, by po przekroczeniu pewnej krytycznej masy zapłonąć w ogniu termojądrowej eksplozji i zostać rozerwanym na strzępy. Miłą dla astrofizyków cechą takich supernowych jest bardzo charakterystyczna krzywa blasku, opisująca w miarę ściśle sposób, w jaki zmienia się jasność eksplodującej gwiazdy w czasie; w przypadku wszystkich supernowych tego typu krzywa ta wygląda bardzo podobnie.
Dzięki temu, że supernowa Ia zachowuje się oględnie rzecz biorąc zawsze tak, jak każda inna przedstawicielka gatunku, możliwe jest wykorzystywanie takich gwiazd jako wspomniane wcześniej świece standardowe. Biorąc bowiem pod uwagę krzywą blasku i oceniając jasność eksplozji i jej zmiany w czasie łatwo można wywnioskować, w jakiej odległości sama gwiazda się znajduje. Co bardzo ważne w tym kontekście – supernowe należą do niezwykle jasnych obiektów, przyćmiewających w szczycie swej „działalności” całe galaktyki, tym samym widoczne są z ogromnych odległości, na których inne techniki pomiaru tejże zupełnie zawodzą.
Dzięki świecom standardowym dowiedzieliśmy się sporo o Wszechświecie – najważniejszym jednak chyba odkryciem związanym z supernowymi Ia jest stwierdzenie w 1998 roku, że ekspansja Wszechświata przyspiesza. Jasność bardzo odległych supernowych nie do końca pasowała do wcześniej wspomnianej charakterystyki krzywej blasku, co zmusiło badaczy do zaakceptowania tego, iż Kosmos ekspanduje coraz szybciej.
Na dzień dzisiejszy tak właśnie wygląda w ogromnym uproszczeniu nasz stan wiedzy w tej materii – okazuje się jednak, że wszystko to, co napisałem powyżej, może nie do końca być prawdą. W nobliwym piśmie „Nature” ukazał się bowiem niepokojący artykuł, który – jeśli potwierdzą się dane w nim przedstawione – może spowodować spore zamieszanie w światku kosmologów.
Naukowcy z Max-Planck-Institut für Astrophysik w Garching (Niemcy), Akos Bogdan oraz Marat Gilfanov, postanowili pewnego pięknego dnia przyjrzeć się założeniom, leżącym u podstawy wcześniej opisanych mechanizmów. Precyzując – postanowili sprawdzić, czy obserwacje potwierdzają najbardziej „chodliwą” obecnie teorię wyjaśniającą genezę supernowych Ia. W tym celu zaprzęgli do roboty amerykańskiego satelitę rentgenowskiego Chandra, który posłużył do obserwacji pięciu pobliskich galaktyk eliptycznych oraz centralnego obszaru galaktyki Andromedy.
Jak wspomniałem wcześniej uważa się obecnie, że supernowe typu Ia powstają, gdy białe karły, podróżujące przez otchłanie Kosmosu z masywnym kompanem, nakradną od niego więcej materii, niż to dla nich zdrowe, co kończy się tragicznie. Ważną cechą tego procesu jest sam przepływ materii, który – jak uważają naukowcy – trwa względnie długo: do powstania supernowej Ia nie dochodzi w mgnieniu oka, biały karzeł zasysa materię nawet przez dziesiątki milionów lat, zanim dojdzie to wybuchowego finału. Ów przepływ materii powinien jednocześnie generować promieniowanie w zakresie rentgenowskim przez równie długi czas.
Specyficzne ślady promieniowania rentgenowskiego stały się celem poszukiwań naukowców z Garching. Ku wielkiemu ich zaskoczeniu okazało się jednak, że promieniowanie rentgenowskie o takiej charakterystyce jest od 30 do 50 razy słabsze, niż powinno być, jeśli model przepływu energii do karła jest poprawny. Opierając się na wynikach swych obserwacji naukowcy doszli do cokolwiek zdumiewającej konkluzji, że – przynajmniej w przypadku obserwowanych systemów gwiezdnych – supernowe typu Ia musiały niemal wszystkie powstać w inny sposób: na drodze „zlania” się ze sobą dwóch białych karłów.
Dotąd przypuszczano, że taki scenariusz ma miejsce w przypadku bardzo niewielu supernowych tego typu – winą za przeważającą większość obarczano białe karły kradnące materię od partnerów. Takie podejście zabezpieczało byt supernowych Ia jako świec standardowych, jednakże jeśli uznać, że jest odwrotnie, to świece te stają się nagle dość niepewne. Naukowcy oparli swe wnioski na fakcie, że zjawisku połączenia dwóch białych karłów towarzyszyć powinien krótki rozbłysk promieniowania rentgenowskiego, czym można by uzasadnić niewielką ilość tego promieniowania zaobserwowaną przez naukowców.
Problem staje się poważny gdy zauważymy, że kolizje białych karłów są zróżnicowane pod względem jasności eksplozji – wszystko staje się zależne od masy białych karłów przed kolizją. Krzywa blasku staje się tym samym charakterystyczna tylko dla danego układu, nie jest natomiast reprezentantywna dla całego „gatunku” supernowych. Jeśli zaakceptujemy taki wniosek, musimy wykonać krok drugi i przyznać, że wyznaczanie odległości na podstawie pomiarów blasku supernowych Ia może być obarczone sporymi błędami.
Zanim świat kosmologów stanie na głowie trzeba jednak jeszcze upewnić się co do tego, czy odkrycie astrofizyków z Niemiec jest reprezentatywne dla wszystkich galaktyk – ponieważ pięć z sześciu galaktyk obserwowanych przez Niemców było galaktykami eliptycznymi, nie można wykluczyć, że to cecha takich właśnie galaktyk, z wykluczeniem spiralnych, które odgrywają zazwyczaj o wiele ważniejszą rolę w naszych obserwacjach. W tym celu konieczne jest prowadzenie dalszych badań, zbyt wczesnie więc mówić już o małej rewolucji. Warto jednak przyglądać się rozwojowi sytuacji ze sporą uwagą – jeśli doniesnienia z Garching się potwierdzą, wówczas trzeba będzie na nowo przyjrzeć się danym, na podstawie których ekspansja Wszechświata uznana została za przyspieszającą.
Źródło:
Link 1
Grafika: Teoretycznie tak dochodzi do kolizji białych karłów
Źródło grafiki
Credit: NASA/Dana Berry, Sky Works Digital.
“Nagie” białe karły
26 listopad 2009
Nie sposób mówić o współczesnej astrofizyce bez długiego orszaku modeli teoretycznych, stworzonych dla zrozumienia najróżniejszych procesów i zjawisk, jakie – jak przypuszczamy niekiedy „w ciemno” – miały, mają i będą mieć miejsce we Wszechświecie. Nie ma sensu tutaj odmawiać im znaczenia, które jest bezsprzeczne – mają one jednak przy okazji jedną, ogromną wadę, wynikającą już z samych założeń ich istnienia: do potwierdzenia prawidłowości wymagają prędzej czy później konfrontacji z rzeczywistością, zweryfikowania przewidywań na podstawie empirycznych obserwacji. Choć dziś nie o tym wpis akurat będzie, wrodzona złośliwość każe mi jednakże dodać, że to tylko jeden z wielu problemów, z jakimi borykać się muszą wielbiciele teorii strun.
Wracając jednak do modeli – najlepszy nawet pozornie model teoretyczny wart jest czegoś dopiero, gdy znajduje potwierdzenie w obserwacjach. Nie inaczej sprawa ma się również w przypadku modeli opisujących ewolucję gwiazd. O ile istnieje spora zgodność pomiędzy najlepszymi modelami a obserwowanymi przez astronomami gwiazdami w zróżnicowanych fazach ich egzystencji, jest jeszcze sporo elementów, wymagających empirycznego potwierdzenia – jednym z nich jest model opisujący powstawanie szczególnego typu gwiazd, tzw. białych karłów. Białe karły to specyficzne kosmiczne „mumie” – zgodnie z naszym współczesnym rozumieniem procesów gwiazdowych powstają, gdy „lekkie” lub „średniomasywne” gwiazdy (o masie w granicach od drobnego ułamka masy Słońca do kilku mas Słońca) kończą swój długi żywot w miarę spokojnie (w porównaniu do supernowych niezwykle wręcz apatycznie), wypalając paliwo jądrowe w formie kolejnych, coraz cięższych pierwiastków w swym wnętrzu i odrzucając zewnętrzne powłoki. Taki sam los oczekuje nawiasem mówiąc również nasze macierzyste Słońce, nie warto jednak już teraz nad tym lamentować, gdyż zostało najprawdopodobniej kilka miliardów lat do tej smutnej chwili.
Jakby jednak nie było, białe karły to pozostałości po niegdyś żywotnych gwiazdach, pozostałości fascynujące, warto dodać. Ponieważ powstaniu białego karła towarzyszy grawitacyjne zapadanie (zahamowane jednak w pewnym momencie przez ciśnienie zawartej w nim materii), mamy do czynienia z względnie maleńkimi obiektami – zakłada się, że białe karły to gwiazdy wielkości Ziemi, o ogromnej gęstości zawartego w nim niezwykle gorącego, zdegenerowanego gazu. Wolałbym nie wnikać w zawiłości związane ze stanem materii w białym karle – przekracza to moje zdolności pojmowania a co dopiero klarownego opisania, istnieje jednak w Internecie i różnych książkach sporo źródeł, z których taką wiedzę jej spragnieni mogą zaczerpnąć.
Warto byłoby w końcu powiązać w jakikolwiek sposób wcześniejsze rozważania teoretyczne z białymi karłami – przystąpmy więc do dzieła. Najlepsze modele teoretyczne powiadają, że gwiazda, która w trakcie swego zejścia z tego świata odrzuciła zewnętrzne warstwy, gdyż spaliła zawarty w niej wodór i hel, zamienia się w białego karła. Koniec kropka. Nie do końca jednak jest to takie proste – białe karły, jak powiada teoria, składają się wówczas głównie z tlenu i neonu, przy czym jądro takiego karła otoczone jest przez cienką, zewnętrzną powłokę z takiego samego tlenu lub helu, kryjącą przed obserwatorami wewnętrzną “zawartość”. Większość modeli podpowiada również, że jądro powinno być otoczone również przez cienką, bogatą w węgiel warstwę, która zapobiega ucieczce tlenu w przestrzeń, jednocześnie obliczenia wskazują, że węglowa powłoka powinna stawać się coraz cieńsza im masa karła bliższa jest maksymalnej dopuszczalnej (ok. 1,4 masy Słońca, tzw. granica Chandrasekhara, powyżej której białego karła czeka los supernowej typu Ia). Brzmi to wszystko dość mętnie, jednak na mój chłopski rozum wygląda to w uproszczeniu tak – według modelu muszą istnieć białe karły, w przypadku których owa powłoka węglowa pozwala dominować tlenowi i w wyniku tego karły takie powinne być „szkieletami” względnie masywnych gwiazd. Nie będę ukrywał, że sam bym tego nie wymyślił – co prawda tok rozumowania źródeł, na których oparłem ten wpis, pozostaje dla mnie dość tajemniczy i trudno mi zrozumieć, co z czego wynika, faktem jednak jest, że jakiś związek między tym wszystkim istnieć musi (potrzebujących klarowności proszę o przeczytanie źródeł w oryginale).
W każdym bądź razie wnioski są tutaj następujące – trzeba znaleźć białego karła o dużej zawartości tlenu, by potwierdzić mechanizm opisany wyżej. Demonstrując sprawność współpracy ponad narodowymi podziałami naukowcy z Universität Kiel (Kiel, Niemcy) oraz University of Warwick (Coventry, UK) postanowili poszukać takich właśnie gwiazd. Podjęli się w tym celu dość mozolnej roboty – wykorzystali dane, które od lat już zbiera wyspecjalizowany teleskop pracujący na rzecz wielkiego przeglądu nieba pod nazwą Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Teleskop został dobrany nieprzypadkowo – urządzenie pozwala bowiem pstrykać zdjęcia obiektom kosmicznych w pięciu odmiennych długościach fali i, co ważne w kontekście wspomnianych badań, analizować ich widmo. Niemiecko-brytyjscy kooperanci wykorzystali takowe zdolności teleskopu, sortując wpierw zebrane przez niego dane pod względem barwy gwiazd – w ten sposób wytypowanych zostało, bagatela, 25 tysięcy kandydatek. Kolejnym etapem przesiewowych badań było badanie widm tej grupy (zautomatyzowane, warto dodać) pod względem linii spektralnych tlenu. Po zakończeniu tej fazy badań pozostało ok. tysiąc wyselekcjonowanych gwiazd, które tym razem ku utrapieniu badaczy były już analizowane manualnie.
Na koniec na polu bitwy zostały… dwie gwiazdy. Białe karły o lirycznych nazwach SDSS 0922+2928 oraz SDSS 1102+2054 to gwiazdy znajdujące się odpowiednio w odległościach 400 i 220 lat świetlnych od Ziemi. O ile wszystkie dotychczas obserwowane białe karły charakteryzowały się zawsze mniejszą zawartością tlenu w stosunku do węgla, o tyle w przypadku nowo odkrytych stosunek ten jest odmienny – tlenu dopatrzono się na podstawie analizy widmowej więcej. Najprawdopodobniej odkryto w ten sposób po raz pierwszy „nagie” białe karły, neonowo-tlenowe jądra, w których otoczka węglowa jest w zaniku. Odkrycie to potwierdziło przewidywania modeli, wedle których w przypadku względnie dość masywnych gwiazd niemal cały węgiel w gwieździe został „skonsumowany”, dzięki czemu gwiazdy o masie bliskiej wartości granicznej (powyżej której czeka je los supernowej) zamiast wybuchać w oślepiającej eksplozji w spokoju zamieniają się w białego karła. Z tego też względu wszystko wskazuje na to, że w przypadku obu wspomnianych karłów mamy do czynienia z masywnymi przedstawicielami tego gatunku – ich masa prawdopodobnie zbliżona jest do masy Słońca, natomiast gwiazdy, które w takie karły się przemieniły, musiały mieć od 7 do 10 mas Słońca.
W przypadku gwiazd o wspomnianej wyżej masie (7-10 mas Słońca) istnieją zgodnie z modelami dwie drogi, w zależności od tego, jakiego mają farta (i pewnie poważniejszych czynników, które są dla mnie jednak niejasne): jedną z nich jest żywot białego karła, drugą gwałtowne zejście pod postacią słabej supernowej typu II. I jakkolwiek ciągle nie do końca wiem o czym piszę i co z czego tutaj tak naprawdę wynika, to bezsprzecznie cieszy mnie fakt, że naukowcom po raz kolejny udało się dowieść, iż ich mozolnie opracowywane modele znajdują potwierdzenie w obserwacjach. I tym optymistycznym akcentem dzisiejszy wpis zakończę ku uciesze zdezorientowanych podobnie do mnie czytelników.
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Link 5
Link 6
Link 7
Zdjęcie: Nie wygląda to co prawda spektakularnie, ale ten niebieski placek wskazany strzałką to właśnie jeden z białych karłów, o których mowa wyżej
Źródło zdjęcia
Credit: SDSS
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
Śmierć już za kosmiczną “chwilę”
8 wrzesień 2009
Nic nie może trwać wiecznie – ten banalny w zasadzie truizm odnosi się do wszystkiego, zarówno tego, co nas otacza, jak i nas samych, nie inaczej sprawy mają się również z obiektami kosmicznymi, nawet takimi, które pozornie zdają się istnieć bez końca – mimo że procesy zachodzące we Wszechświecie w niewyobrażalnym niemal stopniu przekraczają skale czasowe, do których jesteśmy przyzwyczajeni żyjąc na naszej maleńkiej planetce, kres jest mimo to nieodłączną cechą istnienia. I choć czasem muszą minąć niezliczone miliardy lat, żywot każdego najodporniejszego nawet kosmicznego matuzalema w końcu się z pewnością kiedyś zakończy. Można co prawda dyskutować wytrwale o największym ze znanych nam obiektów – Wszechświecie jako całości – który teoretycznie może chyba, choć mocno opustoszały i ciemny, istnieć bez końca, jednak wyjątek ten zdaje się tylko potwierdzać generalną regułę.
W najbardziej widowiskowy sposób “schodzą” z tego materialnego świata najprawdopodobniej supernowe – niektóre gwiazdy, których zegar tyka nieprzerwanie przez miliardy lat, osiągają w końcu pewien określony graniczny wiek, po przekroczeniu którego świat nie będzie już dla nich taki jak przedtem – ze względu na nieubłagane procesy zachodzące w ich wnętrzu, wymuszane z kolei przez prawa fizyki, stają się przez krótki czas najjaśniejszymi obiektami wśród otaczających je miliardów gwiazd, jasność niektórych z nich jest nawet większa od całkowitej jasności macierzystej galaktyki. Supernowe dzielimy na kilka różniących się pod względem rodzaju gwiazd, które przechodzą w zaświaty, oraz mechanizmu, prowadzącego do wybuchu, klas czy ewentualnie typów – nas w tym przypadku interesuje jeden z nich, mianowicie typ Ia.
O supernowych typu Ia pisałem już kilkakrotnie, ostatnio zupełnie niedawno – wystarczy przypomnieć, że supernowe Ia to wybuchowe fajerwerki pojawiające się w efekcie zbyt wielkiego przyrostu masy białego karła, który “dokarmia” się materią swego partnera w podwójnym układzie gwiazdowym. Biały karzeł, który sam jest pozostałością po średniej masy gwieździe, która odrzuciła zewnętrzną wodorową powłokę, jest obiektem bardzo niewielkim – jego wielkość porównywalna jest z naszą Ziemią, można więc sobie łatwo wyobrazić, że spory ścisk tam panuje – gwiazda bowiem mimo tej mikroskopowej jak na gwiazdę wielkości ma masę równą przeciętnie trochę ponad połowie masy Słońca.
Samotny biały karzeł to nic specjalnie ciekawego – często jednak białe karły występują w układach podwójnych, a to zmienia zupełnie postać rzeczy. Ze względu na sporą grawitację, jaka towarzyszy białemu karłowi, gwiazda ta jest w stanie dosłownie “okradać” towarzysza – zasysa z niego materię, powiększając przy tym swoją własną masę. O ile wspomniałem wcześniej o przeciętnych białych karłach (masa ok. 0,6 masy Słońca) to biały karzeł “na sterydach” potrafi nawet podwoić poprzez grabież swoją masę – wszystko idzie w miarę dobrze do momentu, gdy masa gwiazdy przekroczy 1,44 mas Słonecznych (zwie się to granicą Chandrasekhara), wówczas gwiazda staje się grawitacyjnie niestabilna i wydarzenia zachodzą w lawinowym tempie – dochodzi do zapaści grawitacyjnej gwiazdy i cały węgiel, na którego “spalenie” biały karzeł był dotąd zbyt “lekki”, przechodzi reakcję fuzji jądrowej za jednym zamachem – pojawia się niezwykle jasny obiekt, zwany supernową Ia.
To opis teoretyczny, mocno zasiedziały wśród astrofizyków, mimo to dotąd scenariusz ten nie został nigdy w pełni zaobserwowany – białe karły to niespecjalnie jasne gwiazdy i o tym, co się z nimi stało dowiadujemy się zazwyczaj po zaobserwowaniu samej supernowej. Z tego względu niezłym rarytasem dla każdego astronoma jest z pewnością zaobserwowanie białego karła, który znajduje się w fazie “tuż przed wybuchem”, potwierdzając tym samym prawidłowość teoretycznego opisu.
Szczęście, jak się zdaje, dopisało w końcu grupie naukowców z Włoch, kierowanej przez Sandro Mereghetti’ego z L’Istituto Nazionale di Astrofisica w Mediolanie. On i jego koledzy, korzystając z dobrodziejstw teleskopu kosmicznego XMM-Newton, zainstalowanego na orbicie przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), poddali drobiazgowym obserwacjom układ podwójny o raczej nieciekawej nazwie RX J0648.0-4418, który skądinąd nie jest jakąś nowością w świecie astronomów – gwiazdę HD 49798, jasnego podkarła, znamy już względnie długo, od 1997 roku astronomowie wiedzieli również, że gwiazda ta stanowić musi składnik układu podwójnego, gdyż w pobliżu tej gwiazdy zarejestrowano źródło promieniowania rentgenowskiego. Dopiero jednak włoski zespół, wykorzystując zaawansowaną technologię na pokładzie kosmicznego teleskopu był w stanie dokładniej sprecyzować, co kryje się za tym tajemniczym źródłem.
Na podstawie odpowiednich wahań w intensywności promieniowania rentgenowskiego naukowcy doszli do wniosku, że owym źródłem jest biały karzeł o – niebagatelnej jak na tę klasę obiektów - masie równej co najmniej 1,2 mas Słońca, obracający się wokół swej osi w ultrakrótkim czasie 13 sekund! Zostawmy jednak na boku niezwykłą prędkość rotacji – porównując masę tego karła z opisanym wcześniej przeze mnie procesem łatwo wywnioskować, że ów biały karzeł naprawdę bliski jest momentu, w którym nastąpi wielkie “bum” i na niebie pojawi się kolejna supernowa.
Niestety wszyscy, którzy już pakują się i wyjeżdżają na wieś, by tam w spokoju obserwować niezwykłe widowisko, mogą rozpakować swoje rzeczy z powrotem. “Niedługo” w astrofizyce to pojęcie bardzo względne – najprawdopodobniej biały karzeł przekroczy granicę do swej niestabilności w ciągu kilku najbliższych… milionów lat, co stawia pod znakiem zapytania możliwość, że jakakolwiek istota żywa zobaczy spektakl. Niemniej jednak w skalach astronomicznych to rzeczywiście zaledwie “moment” – nigdy jeszcze nie zaobserwowano białego karła, który byłby tak bliski zagłady.
Warto też wspomnieć, że co prawda ludzie jako tacy nie będą mieli tej przyjemności oglądać fascynujący wybuch gwiazdy, jednak gdyby – teoretycznie – nastały po nas inne, rozsądniejsze istoty, będą miały niezłe widowisko: zgodnie ze skrupulatnymi obliczeniami naukowców wybuch karła powinien na Ziemi zostać zaobserwowany prze “każdego”, widoczny bardzo dobrze w dzień i o jasności mniej więcej Księżyca w pełni! Cóż, kto ma czas, może poczekać, inni muszą obejść się smakiem.
Ważniejsze jednak w tej całej historii jest to, że w końcu zaobserwowano białego karła, który zdaje się ewoluować zgodnie z teoretycznym opisem, który tak długo czekał na empiryczne potwierdzenie. Ważniejsze to o tyle, że supernowe Ia stanowią tzw. “świece standardowe” w kosmologii i to na podstawie ich obserwacji wysunięto swego czasu wnioski o przyspieszającej ekspansji Wszechświata. Skoro więc obiekty te są tak ważne w przypadku tak fundamentalnych pytań, oczywiste jest, że każdy nowy szczegół z nimi związany, jaki poznamy, ma swoje znaczenie.
Praca naukowców na portalu “Science” (płatna!)
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Link 5
Link 6
Link 7
Link 8
Link 9
Niemal dwa razy dłuższa połowa
30 sierpień 2009
Okres połowicznego rozpadu to inaczej mówiąc czas, w którym w określonej próbce zawierającej dany pierwiastek promieniotwórczy połowa atomów tego pierwiastka rozpadnie się na lżejsze cząstki (ograniczam się tutaj tylko do procesów rozpadu radioaktywnego, bo samo pojęcie wykorzystywane jest również na przykład w przypadku nietrwałych cząstek subatomowych, w biologii czy medycynie). Pojęcie ma niebagatelne znaczenie w wielu dziedzinach nauki – ma też swoje, całkiem spore, znaczenie w astrofizyce.
Od prawidłowo określonego okresu połowicznego rozpadu zależy nierzadko, czy dany model astrofizyczny, opisujący weźmy na to ewolucję gwiazd, jest w ogóle poprawny. Astrofizyk, który potrafi oszacować ilość danego pierwiastka radioaktywnego a następnie poznać ilość produktów jego rozpadu jest na jak najlepszej drodze do oszacowania momentu, w którym rozpad się rozpoczął. Związek ten umożliwia więc naukowcom datowanie różnorakich wydarzeń i procesów (skądinąd kojarzycie z pewnością tzw. metodę radiowęglową, opierającą się na określaniu proporcji pomiędzy promieniotwórczym izotopem węgla 14C a trwałymi izotopami 12C oraz 13C). Dzięki tej korzystnej cesze astrofizycy opierają się często na takich zależnościach tworząc modele gwiazd.
Skoro okres połowicznego rozpadu ma takie znaczenie w przypadku wspomnianych modeli astrofizycznych wydaje się oczywiste, że współczynnik ten musi być możliwie dokładnie określony dla branego pod uwagę pierwiastka, gdyż każdy błąd lub niedokładne oszacowanie może w znaczący sposób wpłynąć na całokształt modelu. Z tego względu opublikowana niedawno w “Physical Review Letters” praca badawcza naukowców z Technische Universität München (Niemcy) oraz Paul Scherrer Institut (PSI, Zürich, Szwajcaria) może z pewnością być pewnym zaskoczeniem.
Pierwiastek żelazo posiada posiada kilka stabilnych oraz kilkanaście mniej stabilnych izotopów. Jednym z tych mniej stabilnych jest żelazo 60Fe, w którym – w odróżnieniu od najpowszechniej występującej i najlepiej nam znanej odmiany żelaza 56Fe z 30 neutronami – znajdują się odpowiednio 26 protonów i 34 neutrony. W zasadzie można by powiedzieć, że izotop ten nie wyróżnia się niczym szczególnym i nie ma zasadniczo żadnego znaczenia – jednak w astrofizyce właśnie ten izotop żelaza odgrywa niebanalną rolę. Żelazo 60Fe powstaje bowiem, jak zakładamy obecnie, niemal wyłącznie w trakcie wybuchów gwiazd supernowych, czasem dochodzi też do jego wytworzenia w meteorytach pod wpływem wszędobylskiego promieniowania kosmicznego. W naszym sielskim Układzie Słonecznym tego izotopu praktycznie nie znajdziemy – poza laboratoriami naukowców na planecie Ziemia.
Rozpad żelaza 60Fe prowadzi do wytworzenia niezbyt stabilnego izotopu kobaltu 60Co, którego okres połowicznego rozpadu wynosi 5,3 lat, po czym kobalt rozpada się na stabilny już tym razem nikiel 60Ni. Dużym zainteresowaniem badaczy cieszy się nie od dziś właśnie ów niestabilny kobalt, na podstawie którego astrofizycy mogą wysnuwać wnioski o pochodzeniu ciężkich pierwiastków w gwiazdach naszej Drogi Mlecznej. Innym aspektem, który nadaje znaczenia tej grupie izotopów jest również fakt, iż obecność niklu 60Ni stwierdzono w najstarszych meteorytach naszego Układu Słonecznego, pamiętających początki naszego systemu gwiazdowego: obecność tego izotopu we wspomnianych skałach pozwala przypuszczać, że w początkowej fazie Układu Słonecznego to właśnie żelazo 60Fe wspólnie z innymi pierwiastkami mogło służyć jako źródło ciepła wewnątrz powstających właśnie planet; pierwiastki radioaktywne odgrywały bowiem generalnie ważną rolę w tych zamierzchłych czasach – rozpad takiego pierwiastka generuje bowiem ciepło i może utrzymywać otaczającą go materię w stanie płynnym.
Obecność żelaza 60Fe we wczesnym Układzie Słonecznym astrofizycy interpretują jako pozostałość wybuchu supernowej, która w tamtym czasie musiała eksplodować względnie niedaleko rodzącego się systemu. Materia odrzucona w trakcie eksplozji dotarła na rubieże nowego układu, gdzie zmieszała się z gazem i pyłem formującym Układ Słoneczny. Biorąc pod uwagę ten fakt oraz wspomniane wcześniej można więc przypuszczać, że znajomość połowicznego okresu rozpadu dla żelaza 60Fe ma spore znaczenie i w przypadku błędnego jego wyznaczenia trzeba będzie skorygować sporo rachunków dotyczących procesów jądrowych.
I z tym właśnie wiąże się zaskoczenie, zgotowane światu naukowemu przez badaczy z Niemiec i Szwajcarii. Zmierzyli oni bowiem bardzo precyzyjnie (w porównaniu z poprzednimi pomiarami) okres połowicznego rozpadu żelaza 60Fe, wyznaczając jego wartość na ok. 2,6 miliona lat. Całkiem sporo jak na “niestabilny” izotop, prawda? Nie w tym jednak problem, że to sporo czy mało – problem leży w tym, że wcześniej naukowcy zakładali wytrwale, iż izotop ten ma okres połowicznego rozpadu wynoszący… 1,5 miliona lat. I już robi się ciekawiej.
Przyznać trzeba, że korekta wprowadzona przez Gunthera Korschinka (jednego z autorów wspomnianej pracy) i jego kolegów jest dość potężna, mówimy tutaj w końcu o wydłużeniu wcześniej szeroko akceptowanej wartości o 75%! Nie mam wprawdzie pojęcia, w jaki sposób wartość wyznaczano wcześniej (gdzie margines błędu wynosił nawet kilkadziesiąt procent), niemieckojęzyczni naukowcy obiecują jednak, że w przypadku ich pomiaru błąd mieści się w granicach góra 2%. Do takiego wyniku naukowcy doszli w trakcie dość mozolnego i długotrwałego badania – przez trzy lata bardzo czuły spektrometr promieniowania gamma (które emitowane jest w trakcie rozpadu promieniotwórczego) kontrolował próbkę zawierającą sztucznie wytworzone żelazo 60Fe, jednocześnie rejestrowano wzbogacanie się próbki o efekt tego rozpadu, kobalt 60Co. Po tak żmudnych badaniach okazało się w końcu, że w przeszłości naukowcy mocno niedoszacowali badane wartości.
Jakie w rzeczywistości to może mieć znaczenie dla wspomnianych wcześniej modeli i rachunków astrofizycznych nie mnie oczywiście oceniać. Z pewnością nasza wizja Kosmosu nie stanie z tego powodu na głowie i nie zaczniemy pisać astronomicznych kronik od nowego roku “zero”. I nie w tym tkwi, prawdę mówiąc, dla mnie sedno sprawy – pomijając mniejsze lub większe korekty, jakie w pocie czoła astrofizycy będą musieli wprowadzić do swych modeli, ważniejszym wydaje mi się w sumie oczywisty a jakże często zapominany problem nie tylko astrofizyki – czasem niepozorny błąd w założeniach może skrycie, jak przysłowiowy kret ryjący nasz wspaniały ogródek, prowadzić do wypaczenia różnych teorii, za które dalibyśmy sobie uciąć głowę.
Praca naukowców na “Physical Review Letters”






