Pierwsze spojrzenie satelity Integral na Wszechświat w promieniach gamma

 

Fragment konstelacji Łabędzia, strzałka wskazuje położenie obiektu Cygnus X-1

Cygnus X-1 jest oddalony od nas o około 10 000 lat świetlnych, znajduje się w szyi konstelacji Łabędzia. Jest jednym z najjaśniejszych źródeł wysokoenergetycznego promieniowania. Cygnus X-1 odkryty został w 1960 roku; przez większość naukowców uważany jest za czarną dziurę o masie 5 mas Słońca, która stopniowo pochłania swojego towarzysza. Towarzysz to gwiazda oznaczona jako HDE 226868 - niebieski nadolbrzym o temperaturze powierzchniowej około 31 000 Kelwinów. Okrąża czarną dziurę raz na 5.6 dnia. Jest to dobrze poznane źródło promieniowania wysokoenergetycznego i jako takie stanowi idealny test dla instrumentów na pokładzie Integrala i pozwala je dostroić.

 

Fragment gwiazdozbioru Łabędzia widziany przez Optical Monitoring Camera (OMC) w świetle widzialnym. Pełny obraz odpowiada powierzchni 10 Ksieżyców, zawiera około 20000 gwiazd - niektóre świecą tak słabo, że nasze oko musiałoby być 1500 razy czulsze, aby móc je zobaczyć. Cygnus X-1 znajduje się w środku kwadratu. Widać jedynie towarzysza okrążającego czarną dziurę - gwiazdę HDE 226868. Oko ludzkie jest 10 razy za słabe, aby zobaczyć HDE 226868. Powyżej niej widać kolejną gwiazdę, jest to jednak jedynie efekt rzutowania na sferę niebieską.

 

Obraz Cygnus X-1 wykonany przez kamerę do obserwacji na falach X: JEM-X. Powierzchnia zdjęcia jest w przybliżeniu taka sama jak na obrazie OMC. Normalne gwiazdy emitują niewielką ilość promieni X, dlatego na obrazie OMC widać wiele obiektów niewidocznych na obrazie JEM-X. Promieniowanie X powstaje, gdy gaz z gwiazdy HDE 226868 spada na czarną dziurę.

 

Artystyczna wizja Cygnus X-1

25 listopad 2002 - potężna eksplozja, znana jako wybuch promieni gamma (GRB - gamma-ray burst), pojawiła się na wprost detektorów Integrala. Przez około 20 sekund deszcz promieni gamma spadał na statek kosmiczny i został uchwycony przez kamerę IBIS i spektrometr SPI. Dokładne pochodzenie wybuchów GRB jest sporne. Jedna z możliwości jest taka, że większość GRB to śmiertelne wybuchy bardzo masywnych gwiazd w odległym Wszechświecie (hipernowych). GRB pojawiają się średnio dwa razy dziennie z różnych kierunków na niebie. Uważa się, że GRB021125 (liczby oznaczają datę obserwowanego wybuchu) miała miejsce w odległości około 5 milionów lat świetlnych od nas. Jasność GRB można porównać z jasnością setek galaktyk!

 

Wybuch promieniowania gamma widziany przez satelitę Integral

Integral znajduje się daleko poza wpływem zmiennej ziemskiej pogody, ale naukowcy muszą brać pod uwagę kosmiczną pogodę - nieustanny deszcz cząstek, które mogą przejściowo "oślepić" detektor promieni gamma. Kamera JEM-X okazała się szczególnie wrażliwa na pogodę kosmiczną, więc naukowcy musieli ją "przestroić".

23 grudnia 2002
Źródło | K.Zawada

Odkryto dwie supermasywne czarne dziury w centrum tej samej galaktyki

Dzięki danym z satelity Chandra (NASA) naukowcy po raz pierwszy posiadają dowód na istnienie dwu supermasywnych czarnych dziur w centrum tej samej galaktyki. Czarne dziury okrążają siebie nawzajem, a za kilkanaście milionów lat połączą się tworząc jedną większą czarną dziurę. Fuzja ta uwolni w przyszłości intensywne promieniowanie oraz fale grawitacyjne.

 

Obraz galaktyki NGC 6240 uzyskany z satelity Chandra. Jej kształt przypominający motyla jest wynikiem kolizji dwu mniejszych galaktyk. Credit: NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al.

Zdjęcie Chandry ujawniło, że jądro niezwykle jasnej galaktyki NGC 6240 zawiera nie jedną, ale dwie gigantyczne czarne dziury, które akreują (ściągają) materię z otaczającego je ośrodka. Odkrycie to pokazało, że masywne czarne dziury mogą wzrastać w wyniku fuzji (łączenia) w centrach galaktyk. Naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości te zagadkowe procesy będą badane przez kosmiczne obserwatoria fal grawitacyjnych. Już dziś istnieją detektory fal grawitacyjnych, ale ich czułość jest wciąż zbyt mała dla tego rodzaju badań.

Obserwujący w zakresie krótkich fal elektromagnetycznych satelita Chandra wyraźnie rozróżnił dwa jądra galaktyki i dokładnie zbadał własności promieniowania X pochodzącego z każdego jądra. Dane Chandry pokazały cechy charakterystyczne dla supermasywnych czarnych dziur - nadwyżkę wysoko-energetycznych fotonów pochodzących z gazu, który krąży wokół czarnej dziury oraz promieniowanie X z fluoryzujących atomów żelaza w gazie blisko czarnych dziur.

Wcześniejsze obserwacje w zakresie fal X pokazały jedynie, że obszar centralny produkuje promieniowanie X, podczas gdy dokładniejsze obserwacje prowadzone w zakresie radiowym, podczerwonym i optycznym ujawniły dwa jasne jądra. Natura tego centralnego obszaru pozostawała zagadką. Astronomowie nie wiedzieli, gdzie dokładnie umiejscowione są źródła obserwowanego promieniowania X, nie znane również były właściwości dwu jasnych jąder.

"Mieliśmy nadzieję, że z pomocą Chandry określimy, które jądro jest supermasywną czarną dziurą" powiedzała Stefanie Komossa z Max Planck Institute (Niemcy), główny autor artykułu na temat odkrycia, który ukaże się w Astrophysical Journal Letters. "Ku naszemu olbrzymiemu zdziwieniu odkryliśmy, że oba jądra to aktywne czarne dziury!"

 

Artystyczna wizja: czarna dziura otoczona przez dysk gorącego gazu oraz obwarzanek chłodniejszego gazu i pyłu. Jasnoniebieski pierścień z tyłu torusa jest wywołany fluorescencją atomów żelaza, które wzbudzane są przez promienie X biegnące z dysku gorącego gazu. Illustracja: CXC/M.Weiss

Znajdująca się w odległości około 400 milionów lat świetlnych NGC 6240 jest klasycznym przykładem masywnej galaktyki, w której gwiazdy formują się w wyjątkowo szybkim tempie z powodu niedawnej kolizji i późniejszego łączenia dwu mniejszych galaktyk. Ponieważ galaktyki takie zawierają duże ilości pyłu i gazu trudno jest zajrzeć głęboko w centralne obszary przy pomocy teleskopu optycznego. Jednakże promienie X dochodzące z jądra galaktycznego są w stanie przeniknąć ten welon gazu i pyłu.

"Detekcja podwójnych czarnych dziur potwierdza pogląd, że czarne dziury mogą wzrastać do olbrzymich mas w centrach galaktyk w wyniku łączenia się z innymi czarnymi dziurami" powiedziała Komossa. "Jest to ważne dla zrozumienia jak galaktyki powstają i jak się rozwijają."

W ciągu następnych kilkuset milionów lat dwie czarne dziury oddalone od siebie o około 3000 lat świetlnych, będą się do siebie zbliżać a następnie połączą się tworząc jeszcze większą supermasywną czarną dziurę. Proces ten będzie źródłem silnego promieniowania fal grawitacyjnych. Fale te stworzą "zmarszczki" w czasoprzestrzeni, które objawią się minimalną zmianą w odległości między dwoma dowolnymi punktami.

 

Z lewej: Obraz NGC 6240 w świetle widzialnym (Teleskop Kosmiczny Hubble'a). Z prawej: Obraz galaktyki z pokładu satelity Chandra. Kolor odpowiada energii promieni X: czerwony - niska, zielony -średnia, niebieski - duża. Credit: zdjęcie w promieniach X: NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al.; zdjęcie z Teleskopu Kosmicznego: NASA/STScI/R.P.van der Marel & J.Gerssen

Chandra obserwowała NGC 6240 przez 10.3 godzin przy pomocy Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS).

2 grudnia 2002
Źródło | K.Zawada

Nowe dowody na istnienie ciemnej materii

Obserwatorium rentgenowskie Chandra dostarczyło nowych dowodów na istnienie ciemnej materii . Kwestionują one alternatywne teorie grawitacji, które eliminowały potrzebę istnienia ciemnej materii. Obserwacje również uściślają z czego ta materia może się składać.

Obserwacje rentgenowskie galaktyki NGC 720, wykonane przez rentgenowskie obserwatorium Chandra i opracowane przez zespół naukowców w składzie: David Buote (University of California), Tesla Jeltema i Claude Canizares (Massachsetts Institute of Technology), ujawniły istnienie nieznacznie spłaszczonej otoczki gorącego gazu otulającej galaktykę. Kokon ten (na obrazku po lewej) jest zdecydowanie inaczej zorientowany niż materia galaktyki uwidoczniona w świetle widzialnym (na obrazku po prawej). Spłaszczenie otoczki wywołane jest oddziaływaniem grawitacyjnym z materią tworzącą galaktykę. Tyle tylko, że gwiazd i gazu jest zbyt mało aby wywołać tak wyraźne spłaszczenie.

Galaktyka NGC 720 w promieniach rentgenowskich (z lewej) i w świetle widzialnym (z prawej). Credit: NASA/Boute et. al, DSS/STScI

Według powszechnie obowiązującej teorii grawitacji, stabilność obłoku gorącego gazu (widocznego w zakresie rentgenowskim) zależy od tego, jak silne jest oddziaływanie grawitacyjne na ten obłok. W przypadku NGC 720 potrzeba dodatkowego źródła pola grawitacyjnego, w postaci halo utworzonego z ciemnej materii. Masa potrzebna do wygenerowania takiego pola musiałaby być ok. 5 do 10 razy większa niż masa wszystkich gwiazd tej galaktyki. Gdyby rozkład ciemnej materii odpowiadał rozkładowi materii świacącej, wówczas obłok rentgenowski miałby bardziej sferyczny kształt. Spłaszczenie obłoku wskazuje na takie samo spłaszczenie ciemnego halo.

W roku 1983 Mordehai Milgrom (Weizmann Institute, Israel) zaproponował pewną modyfikację praw grawitacji (teoria ta nosi nazwę MOND, skrót od angielskiej nazwy: Modified Newtonian Dynamics). Modyfikacja ta polega na wprowadzeniu innej niż newtonowska zależności pomiędzy siłą a przyspieszeniem. W teorii Newtona zależność ta jest liniowa (stałą proporcjonalności jest masa), natomiast według MOND siła w zakresie małych przyspieszeń jest mniejsza niż u Newtona. Innymi słowy, dla małych przyspieszeń (takich, jak np. na obrzeżach galaktyk) wystarczy mniejsza masa aby wywołać dany efekt, niż w przypadku teorii Newtona. MOND znakomicie obywa się bez ciemnej materii. Jednakże przypadek NGC 720 zdecydowanie dyskwalifikuje tę teorię!

Według Davida Buote'a (University of California) "...kształt i orientacja obłoku gorącego gazu są ściśle zdeterminowane przez rozkład halo, utworzonego przez ciemną materię". Jest to niezaprzeczalny dowód na to, że istnienie ciemnej materii nie jest iluzją spowodowaną nieścisłościami teorii grawitacji!

Materiały uzyskane przez satelitę Chandra odnoszą się również do innych przewidywań dotyczących ciemnej materii. Obserwacje pasują do teorii, według której ciemna materia składa się z powolnych cząsteczek, które oddziałują ze sobą oraz z resztą materii tylko poprzez grawitację. Istnienie np. samo-oddziałującej ciemnej materii lub zimnej ciemnej materii molekularnej pociągałoby za sobą inne rozkłady halo (odpowiednio: bardziej sferyczny lub bardziej spłaszczony). Jest to sprzeczne z obserwacjami.

Niewątpliwą zaletą obserwatorium Chandra jest możliwość dokładnej identyfikacji i lokalizacji punktowych źródeł promieniowania, które mogą zakłócić obraz rozmytej emisji rentgenowskiej. Dzięki temu pomiary kształtu i orientacji obrazów są bardzo dokładne.

15 listopada 2002data
Źródło | oprac. B.Kulesza-Żydzik

Orion | Astro - Wiadomości