Wszechświata nie zbudowano w jeden dzień!

Ewolucja wszechświata we wczesnych etapach jego istnienia spędzała sen z powiek astronomów przez wiele lat. Obserwacje wskazują, że gigantyczne czarne dziury, o masach rzędu 10⁹ mas Słońca, powstały około miliard lat po Wielkim Wybuchu. Zebranie tak olbrzymiej masy w tak krótkim czasie jest porównywalne z wybudowaniem okazałego pałacu w jeden dzień.

Stuart B. Wyithe i Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) wyjaśniają ten paradoks następująco: światło biegnące od większości najodleglejszych kwazarów jest wzmacniane przez materię znajdującą się na drodze promieniowania. Efekt ten, polegający na zakrzywieniu toru promieni świetlnych przez masywne obiekty, nazywamy soczewkowaniem grawitacyjnym. Z tego powodu czarne dziury znajdujące się we wnętrzu kwazarów wydają się być 10-100 razy większe niż są w rzeczywistości! Zatem można powiedzieć, że zamiast pałacu budujemy zwykłą szopę, na co jeden dzień może zupełnie wystarczyć.

Kwazary są znakomitymi obiektami pozwalającymi badać wczesne etapy ewolucji Wszechświata, ponieważ ich jasność jest wystarczająco duża aby dostrzec je z tak znacznych odległości (światło od nich biegnie do nas miliardy lat). Tak dużej mocy mogą dostarczać tylko supermasywne czarne dziury, znajdujące się w centrach odległych galaktyk. Pochłaniając olbrzymie ilości gazu wypromieniowują jednocześnie olbrzymie ilości energii w postaci światła. "Możemy oszacować minimalną masę czarnej dziury, mierząc ilość emitowanego przez nią światła. Im masywniejszy obiekt, tym jaśniej świeci" - wyjaśnia Stuart Wyithe.

W ciągu ostatnich kilku lat astronomowie odkryli kwazary powstałe wyjątkowo dawno temu (tzn. w czasie gdy Wszechświat był bardzo młody). Ich odległość można wyznaczyć za pomocą pomiaru przesunięcia linii w ich widmach: znany powszechnie efekt Dopplera ujawnia się także w przypadku fal świetlnych. Im bardziej poczerwienione widmo, tym większa jest prędkość oddalania się obiektu. A zgodnie z prawem Hubble'a im większa prędkość oddalania się tym większa odległość. Ostatnim krokiem w naszym rozumowaniu jest stwierdzenie oczywistego faktu, że im obiekt jest dalej, tym dłuższą drogę musi pokonać światło biegnące do obserwatora, a zatem musiało wcześniej "wyruszyć" w drogę. Podsumowując: pomiar przesunięcia ku czerwieni pozwala oszacować wiek źródła.

Pomiary takie wskazują na wiek niektórych kwazarów rzędu miliarda lat (od Wielkiego Wybuchu). Pomiary natężenia docierającego do nas światła pozwalają stwierdzić, że masy tych kwazarów są równe ok. 3 miliardom mas Słońca. Odpowiedź na pytanie "jak w tak krótkim czasie może narodzić się tak masywna czarna dziura" stanowi nie lada wyzwanie dla naukowców. Panowie S. Wyithe i A. Loeb większą jasność odległych kwazarów przypisują wspomnianemu wcześniej soczewkowaniu grawitacyjnemu. Skoro na prawdę kwazary nie są tak jasne to znaczy że nie są również tak masywne.

Obliczenia wskazują, że nawet trzecia część kwazarów o dużych przesunięciach ku czerwieni (a zatem bardzo odległych) może być "wzmocniona" przez soczewki grawitacyjne. Wzmocnienie mocy promieniowania może być nawet dziesięciokrotne! Wśród pobliskich kwazarów jedynie co setny wykazuje pojaśnienie na skutek soczewkowania grawitacyjnego.

Następnym etapem badań jest przeprowadzenie dokładnych obserwacji, mających na celu oszacowanie częstości wystąpienia wzmocnienia przez soczewkowanie grawitacyjne. Bardzo często zdarza się tak, że masa powodująca zakrzywienie światła (np. jakaś galaktyka) jest zbyt mała, aby ją bezpośrednio zaobserwować. Jednak z całą pewnością wiemy z obserwacji, że efekt soczewkowania nie tylko wzmacnia światło, lecz także dzieli je na kilka obrazów. Odległość kątowa tych obrazów jest zwykle bardzo niewielka (rzędu rozmiarów maleńkiej monety oglądanej z odległości kilku km!) ale jednak - i na szczęście - zauważalna przez wielkobazowe teleskopy naziemne lub przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a. Planowany program obserwacyjny może potwierdzić przewidywania teoretyczne dotyczące częstości występowania soczewkowania grawitacyjnego - lub wprost przeciwnie, pokazać coś innego. Z całą pewnością jednak pozwoli dowiedzieć się czegoś nowego na temat wczesnego Wszechświata.

Wyniki dotychczasowych badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature, 27 czerwca br. Zespół naukowców z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics powstał dzięki współpracy pomiędzy Smithsonian Astrophysical Obserwatory oraz Harvard College Observatory.

25 sierpnia 2002
Źródło | oprac. B.Kulesza

Trzęsienia gwiazd odsłaniają gwiezdne sekrety

Patrzenie do wnętrza Ziemi czy Słońca przypomina nieco badanie dziecka w łonie matki za pomocą ultradźwięków. Światło nie potrafi przeniknąć powierzchni, więc w takim przypadku wykonujemy zdjęcia używając fal dźwiękowych. Przy użyciu satelity SOHO z dużym powodzeniem ESA sonduje wnętrze Słońca używając w tym celu właśnie fal dźwiękowych. Przyszłe misje, Solar Orbiter i Eddington, będą zaglądać w głąb Słońca i innych gwiazd w podobny sposób. Na Ziemi, gdy naukowcy odnotowywali niewielkie wstrząsy pochodzące z trzęsień ziemi nawet na odległych kontynentach, zaczęli szacować drogi i zmiany prędkości fal przechodzących przez wnętrze Ziemi. To ujawniło istnienie płynnego jądra naszej planety. Dziś w poszukiwaniu ropy rutynowo narusza się ziemię, aby wywołać sejsmiczne echo z głębiej położonych warstw. Naukowcy łączą nagrania trzęsień ziemi pochodzące z różnych sejsmografów ustawionych w różnych miejscach, aby odtworzyć trójwymiarowy obraz skał znajdujących się głęboko pod ziemią. Sejsmologia bada fale sejsmiczne powstające na skutek trzęsień ziemi. Badania słonecznych fal dźwiękowych nazwano heliosejsmologią - od greckiego słowa helios - Słońce. Satelita Eddington badając gwiazdy będzie zajmować się astrosejsmologią. Chociaż Słońce i gwiazdy składają się raczej z bardzo gorącego gazu niż ze skał, to podstawowe zasady wnioskowania o drodze i prędkości fal rozchodzących się wewnątrz obiektu pozostają te same. Fale dźwiękowe nie podróżują przez przestrzeń kosmiczną, ale naukowcy potrafią zarejestrować ich obecność poprzez niewielkie zmiany w świetle Słońca czy gwiazd. Pogłos tych fal powoduje, że widoczna powierzchnia Słońca podnosi się i opada z grubsza co kilka minut, a ruch ten wpływa na długość fali i jasność obserwowanego światła. Najprostsze heliosejsmiczne teleskopy mogą obserwować pełne oscylacje Słońca. Wykrywają one raczej wyraźnie określone "nuty" ale nie całe akordy muzyczne. Z tych informacji naukowcy z niebywałą precyzją potrafią wnioskować o wewnętrznych warstwach Słońca aż do bardzo rozgrzanego jądra. Przyrząd MDI na pokładzie satelity SOHO rejestruje fale w milionie punktów na powierzchni Słońca. Wykrył on rozległe strumienie gorącego gazu krążące niewidocznie pod powierzchnią gwiazdy. Najbardziej niezwykłe jest to, że MDI potrafi patrzeć wprost przez Słońce, aby obserwować odległe, niespokojne obszary formowania plam słonecznych po jego niewidocznej stronie, które następnie ukazują się nam gdy Słońce obróci się dokoła swojej osi. Gdy następna generacja słonecznych satelitów będzie w stanie precyzyjniej wybierać obserwowaną część Słońca, heliosejsmologowie są pewni sensacyjnych odkryć. Celem satelity Solar Orbiter (ESA), który wystartuje w 2012, są obszary okołobiegunowe. Naukowcy mają nadzieję wykryć strumienie gazu pod powierzchnią blisko bieguna; mogą mieć one silny wpływ na słoneczne pole magnetyczne i wpływać na jego zaburzenia. Dla astronomów Słońce jest typową gwiazdą "w średnim wieku" widzianą w zbliżeniu. Wszystkie inne gwiazdy są tak odległe, iż astrosejsmologowie mogą obserwować jedynie oscylacje całej gwiazdy. Jednak tak jak w przypadku Słońca obserwacje te mogą dostarczyć informacji dotychczas niedostępnych o wewnętrznej strukturze gwiazd. Większość tego co wiemy o strukturze i ewolucji Wszechświata uzależnione jest od tego jak dobrze rozumiemy funkcjonowanie olbrzymich kosmicznych fabryk jakimi są gwiazdy. Poznanie ich wieku jest ważną częścią tych badań. Należący do ESA statek kosmiczny Eddington, który wystartuje w 2008 roku, zbada 50 000 gwiazd od najmniejszych do największych i od najstarszych do najmłodszych. Nie będzie on pierwszym takim satelitą, ale będzie badał obiekty z niespotykaną dotąd dokładnością. Do tej pory o gwieździe, która miała 100 milionów lat, można było powiedzieć, że ma między 80 a 120 milionów lat. Dzięki Eddingtonowi będzie można sprecyzować jej wiek na np. do 104 milionów lat. Fale dźwiękowe ze Słońca i gwiazd są grane dużo niżej niż to co człowiek jest w stanie usłyszeć, ale łatwo jest je przekształcić do częstości uchwytnych dla ucha. Na stronach internetowych http://soi.stanford.edu/results/sounds.html posłuchać można "Muzyki Słońca".

Różne typy gwiazd tworzą różne rodzaje fal dźwiękowych, dokładnie tak jak różne instrumenty muzyczne Potężne błyski uchwycone przez satelitę SOHO Satelita SOHO na tle Słońca

17 sierpnia 2002
Źródło | oprac. K.Zawada

XLVI Olimpiada Astronomiczna

Ogłoszone zostały zadania kolejnej Olimpiady Astronomicznej 2002/2003. Zawody olimpiady są trójstopniowe. W zawodach I stopnia trzeba rozwiązać dwie serie zadań. W pierwszej serii rozwiązania 3 z 4 zadań trzeba wysłać do 14 października 2002 roku do organizatora Olimpiady - Planetarium Śląskiego.

Tematy zadań i regulamin olimpiady udostępnione są na internetowych stronach Planetarium. Można je również znaleźć w najnowszym numerze 4/2002 Uranii-Postępów Astronomii.

Olimpiada organizowana jest dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych. Zwycięzcy mogą liczyć na indeks szkoły wyższej. O uprawnieniach laureatów i finalistów decydują senaty wyższych uczelni.

Zachęcamy do wzięcia udziału!

2 sierpnia 2002
Źródło | oprac. K. Chyży

Spojrzenie w serce umierającej gwiazdy

Zdjęcie zrobione przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a pokazuje jedną z najdziwniejszych znalezionych do tej pory wydłużonych mgławic planetarnych. Naukowcy uważają, że mgławice te są kluczem do zrozumienia w jaki sposób Wszechświat wzbogacił się o pierwiastki ciężkie, dlatego też są one intensywnie badane. Jednak wciąż nie do końca rozumiemy, dlaczego idealnie okrągła gwiazda mogła przekształcić się w tak dziwnie wyglądającą mgławicę.

Mgławice planetarne objawiają się w różnym kształcie i rozmiarze. Są one ostatnim etapem życia gwiazdy, zanim zakończy ona swój żywot jako wypalony biały karzeł. Gdy gwiazda umiera, odrzuca gwałtownie zewnętrzne warstwy swojej atmosfery tworząc mgławice planetarną, która istnieje dopóki gwiazda posiada paliwo jądrowe, które stopniowo wypala.

Kocioł czarownicy

Gwiazdy to olbrzymie fabryki utylizacyjne. W czasie wielu milionów lat życia przetwarzają one wielką ilość lżejszych pierwiastków (głównie wodór i hel) w pierwiastki cięższe (takie jak węgiel, azot i tlen). Następnie, gdy odrzucana atmosfera gwiazd przekształca się w mgławicę planetarną, te cięższe pierwiastki rozpraszane są do otaczającej przestrzeni. Mogą się one stać składnikami kolejnej gwiazdy lub trafić do układu planetarnego, na przykład takiego jak nasz Układ Słoneczny. Dlatego też proces rozpraszania jest jednym z najważniejszych procesów we Wszechświecie i może poszerzyć wiedzę o naszym własnym pochodzeniu.

Zdjęcie z teleskopu Hubble'a: Henize 3-401

Zdjęcie to ukazuje młodą mgławice planetarną Henize 3-401. Nadzwyczajne zdolności obserwacyjne teleskopu Hubble'a pokazały, że jest to najbardziej wydłużona mgławica planetarna wśród do tej pory odkrytych. Zdjęcie pokazuje dwa bardzo długie wypływy ze skomplikowaną nitkowatą strukturą i postrzępionymi końcami. Po raz pierwszy widzimy centralną gwiazdę odpowiedzialną za wspaniałe oświetlenie mgławicy.

Chociaż mgławice planetarne istnieją w wielu kształtach, jednak często są wydłużone (bipolarne). Astronomowie nie są zgodni co do przyczyn takiego kształtu. Jedni twierdzą, że potrzebna jest druga gwiazda, towarzysz krążący dookoła gwiazdy centralnej, aby utworzyć podobne do dżetów wypływy gazu. Inni uważają, że silne pola magnetyczne są w stanie spowodować taki lejkowaty wypływ gazu.

Mgławica Henize 3-401 przechodzi teraz przez bardzo krótko trwającą fazę (krótką w sensie astronomicznym) i nie ma zbyt wiele podobnych obiektów w pobliskiej przestrzeni, aby móc przeprowadzić podobne badania. Za kilka tysięcy lat centralna gwiazda wyczerpie swoje paliwo jądrowe i stanie się zimnym, gasnącym białym karłem.

Mgławica strzeże swoich sekretów

Europejscy astronomowie analizowali obrazy z teleskopu Hubble'a oraz z z kilkunastu innych teleskopów, m.in. Infrared Space Observatory (ISO) i International Ultraviolet Explorer (IUE), ale trudno jest im zrozumieć pochodzenie tej mgławicy. Pedro Garcia - Lario z ESA ISO Data Centre w Hiszpani mówi: "Badamy gwiazdy w krytycznym momencie ich życia - gdy umierają. Naszym największym zadaniem jest dokładne zrozumienie tego, jak umierające gwiazdy rozprzestrzeniają we Wszechświecie tak wielką ilość wyprodukowanego materiału. W jaki sposób idealnie sferyczna gwiazda może przejść gwałtowną metamorfozę, aby stać się tak wydłużonym obiektem jak Henize 3-401? Jest to kluczowe pytanie, na które musimy odpowiedzieć, jeśli chcemy zrozumieć jak, pod względem chemicznym, rozwijała się nasza Droga Mleczna."

Mimo trwających intensywnych badań nad mgławicą Henize 3-401, jej własności i pochodzenie pozostają nadal tajemnicą.

Henize 3-401 znajduje się w konstelacji Carina (Kil, niebo południowe) w odległości około 10 000 lat świetlnych. Pokazane zdjęcie jest kompozycją trzech ekspozycji uzyskanych z Hubble Wide Field Planetary Camera 2 12 czerwca 1997 roku.

20 lipca 2002
Źródło | oprac. K.Zawada

Czy Wszechświat jest starszy niż dotychczas przypuszczano?

Satelita Europejskiej Agencji Kosmicznej XMM - Newton wychwycił promieniowanie X, które podróżowało do nas przez 13,5 miliardów lat. Analiza tego światła wykazała, że Wszechświat może być starszy niż uprzednio myślano lub też wczesny Wszechświat zaśmiecany był przez tajemnicze i do tej pory nieodkryte 'fabryki żelaza'. Norbert Schartel z ESA i jego współpracownicy z Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik w Niemczech stwierdzili obecność żelaza w bardzo odległym obiekcie APM 8279+5255 w ilości dużo większej niż ktokolwiek mógłby się spodziewać. Obiekt ten jest kwazarem, czyli młodą galaktyką, której region centralny jest niebywale jasny z powodu gazu, który promieniuje spadając na gigantyczną czarną dziurę. Kwazar APM 8279+5255 znajduje się w odległości 13,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Naukowcy podając taką odległość opierają się na zjawisku redshiftu światła (przesunięcie ku czerwieni), który spowodowany jest rozszerzaniem się Wszechświata. Wyemitowana przez źródło fala o danej długości przesunięta jest w stronę dłuższych fal (jest rozciągnięta), a wielkość tego przesunięcia jest miarą odległości do źródła. Dane z XMM - Newton pokazały, że w obserwowanym kwazarze jest 3 razy większa względna obfitość żelaza niż w  Układzie Słonecznym. Żelazo uwalniane jest w czasie eksplozji gwiazd a naukowcy uważają, że jego ilość zwiększa się stopniowo w czasie. Układ Słoneczny uformował się około 5 miliardów lat temu, więc powinien zawierać więcej żelaza niż obserwowany kwazar, który powstał ponad 13,5 miliarda lat temu. Dlatego fakt, że kwazar zawiera 3 razy więcej żelaza niż Słońce jest zadziwiający. Jedno z możliwych wytłumaczeń jest takie, że astronomowie błędnie wybrali sposób pomiaru odległości we Wszechświecie opierając go o pomiar redshiftu. Wówczas niemal wszystkie przeliczenia redshiftu na odległość i na wiek obiektów byłby błędny. Fred Jansen, naukowiec z projektu XMM - Newton z ESA, wyjaśnia, że może to oznaczać konieczność pisania na nowo podręczników. "Gdy studiujesz ewolucje Wszechświata, jednym z podstawowych praw jest możliwość powiązania redshiftu z wiekiem obiektu. Odrębna możliwość wyjaśnienia tych obserwacji jest taka, że w redshiftcie jaki obserwujemy Wszechświat jest starszy niż myślimy." Według Jansena, jeśli interpretacja Wszechświata starszego niż się sądziło jest błędna, istnieje jeszcze jedna, dziwniejsza możliwość. Gdzieś we wczesnym Wszechświecie musiały istnieć nieodkryte 'fabryki żelaza', które produkowały ten metal w nieznany nam sposób. To zrozumiałe, że Jansen jest ostrożny mówiąc "Uważam, że jest to mało prawdopodobne wytłumaczenie." Jeśli te tajemnicze obiekty istnieją, to być może odkryje je XEUS, który będzie w stanie obserwować pierwsze powstałe galaktyki. XEUS należy do następnej generacji satelitów czułych na promieniowanie X, a jego wystrzelenie ESA przewiduje na przyszłe dziesięciolecie. W październiku tego roku ESA wystrzeli satelitę INTEGRAL czułego w zakresie fal gamma (krótkofalowa część fal X). INTEGRAL będzie obserwować eksplodujące gwiazdy, aby zbadać proces powstawania pierwiastków chemicznych i być może uda mu się wytłumaczyć anomalne obserwacje żelaza. Artykuł dotyczący przedstawionych analiz będzie opublikowany 10 lipca br. w Astrophysical Journal Letters, Vol. 573, L77. Autorzy: G. Hasinger i S. Komossa z Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik oraz N. Schartel z European Space Agency. O innych dokonaniach satelity XMM - Newton pisaliśmy w kwietniu br.: ESA odkryła czarną dziurę...

Artystyczna wizja nowego 'zunifikowanego modelu' dla różnego rodzaju aktywności kwazarów Widmo kwazara APM 08279+5255 ukazujące ślady chmur pierwiastków żelaza

15 lipca 2002
Źródło | K.Zawada

Orion | Astro - Wiadomości