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

Liczba odsłon: 1043