Czarna dziura pochłania gwiazdę neutronową – zdarzenie, które jest źródłem wielu posłańców. Wizja artystyczna. Czarna dziura pochłania gwiazdę neutronową – zdarzenie, które jest źródłem wielu posłańców. Wizja artystyczna. Carl Knox, OzGrav-Swinburne University / pulsar
Kosmos

Nieziemscy posłańcy wyjaśniają Wszechświat

Jakże ślepi i głusi byliśmy niespełna pół wieku temu. Dziś astronomia wielu posłańców otwiera przed nami okna na wnętrza gwiazd i obraz narodzin kosmosu. Pomaga też testować teorie mikroświata.

„Gdybyśmy chcieli dziś, wzorem greckich mędrców, budować świat z żywiołów, dwa z nich wymienilibyśmy bez wahania – elektryczność i magnetyzm. […] Zarówno człowiek, jak i wszystkie jego przyrządy »widzą i czują« za pośrednictwem elektryczności i magnetyzmu” – pisali w 1974 r. w przedmowie do monografii „Elektrodynamika kwantowa” Iwo i Zofia Białyniccy-Birula. A dodać wypada, że owo „widzą i czują” odnosi się tutaj zapewne przede wszystkim do wąskiego wycinka widma fal elektromagnetycznych, odpowiadającego światłu widzialnemu. No, może z wyłączeniem fal radiowych, już w owym czasie wykorzystywanych do badań kosmosu.

Jakże ślepi i głusi byliśmy niespełna pól wieku temu! Dziś stoimy u progu rewolucji w astronomii, największej zapewne od chwili, kiedy pierwotny człowiek pierwszy raz ze zrozumieniem spojrzał w niebo: nauczyliśmy się widzieć kosmos już nie tylko za pośrednictwem światła gwiazd, ale też obserwując neutrina, promienie kosmiczne i fale grawitacyjne – posłańców niosących ze sobą potężną ilość informacji o nieodkrytych dotychczas tajemnicach wszechświata.

Obserwujemy też w niebo z przestrzeni kosmicznej, wykorzystując niedostępne do niedawna fragmenty widma fal elektromagnetycznych, podczerwień i promienie gamma. To wszystko składa się na zupełnie nową astronomię, w której na wielość zjawisk i obiektów patrzeć możemy z wielu komplementarnych perspektyw.

Dwa wąskie okna: na widzialny Wszechświat

Dlaczego widzimy? Bo atmosfera ziemska w wysokim stopniu przepuszcza promieniowanie elektromagnetyczne o długościach (kolorach) odpowiadających światłu widzialnemu, od czerwieni do fioletu.

Ludzkość obserwowała wszechświat korzystając z tego wąskiego okna optycznego od zarania dziejów aż do połowy XX w. Pierwszy radioteleskop, wykorzystujący drugie okno – fale radiowe, zbudowano w latach 30. i umożliwiło ono, na przestrzeni lat, na dokonanie wielu przełomowych obserwacji. (Dlaczego nie posiadamy zmysłu wykorzystującego fale radiowe? Bo mają one długość kilku, kilkunastu centymetrów i rozdzielczość „radiowego oka” byłaby tą długością fali ograniczona; innymi słowy nie widzielibyśmy żadnych obiektów o mniejszych rozmiarach). To za pomocą radioteleskopu młoda doktorantka Jocelyn Bell w 1967 r. odkryła pulsary, czyli przewidziane jakiś czas wcześniej kompaktowe gwiazdy zwane neutronowymi. Na marginesie, to nie Bell, a jej promotor został uhonorowany Nagrodą Nobla w 1977 r. za to odkrycie, co wywołało jedynie odosobnione gniewne pomruki co poniektórych. Takie to były czasy.

Zdjęcie kosmosu w wieku stu tysięcy lat. Kolor czerwony oznacza zagęszczenia materii, a niebieski – rozrzedzenia.ESA and the Planck Collaboration/pulsarZdjęcie kosmosu w wieku stu tysięcy lat. Kolor czerwony oznacza zagęszczenia materii, a niebieski – rozrzedzenia.

Jednak inne części widma elektromagnetycznego są przez atmosferę ziemską skutecznie blokowane i niosące przez nie informacje o wszechświecie można odkrywać jedynie za pomocą satelitów. A są to informacje niezwykłe. Pracujący w podczerwieni satelita Planck umożliwił nam zrobienie zdjęcia wszechświata w wieku stu tysięcy lat. A wykorzystując satelity obserwujące kosmos za pomocą wysokoenergetycznych promieni gamma (konkretnie amerykańskie, wojskowe, mające śledzić radzieckie testy nuklearne) odkryliśmy w latach 60. błyski gamma – niewyjaśnione do końca po dziś dzień, trwające od kilku minut do kilku godzin wiązki promieniowania o niezwykle wysokich energiach.

Każda z tych obserwacji była przełomem w astrofizyce. Ale prawdziwa rewolucja nadeszła wraz z nowymi technikami pozwalającymi na odbieranie wiadomości niesionych z głębin kosmosu przez posłańców innych niż fale elektromagnetyczne.

Okno trzecie: na gwiazdy neutronowe

Za pierwszą obserwację z wykorzystaniem wielu posłańców przyjmuje się zazwyczaj zdarzenie z 17 sierpnia 2017 r. Tego dnia, o godz. 12∶41:04 UTC (Coordinated Universal Time), detektor LIGO/Virgo zarejestrował fale grawitacyjne wytworzone w procesie zlewania się dwóch gwiazd neutronowych. A 1,7 sekundy później do satelity Fermi dotarł – pochodzący z tego samego obszaru nieba, w gwiazdozbiorze Hydry – błysk gamma (to promieniowanie będące efektem procesów zachodzących we wnętrzach jąder atomowych lub zderzeń cząstek subatomowych).

Obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) w Hanford, w stanie Washington. Odkształcająca się pod wpływem fal grawitacyjnych rura, w której porusza się światło lasera, ma 4 kilometry długości.Ligo/pulsarObserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) w Hanford, w stanie Washington. Odkształcająca się pod wpływem fal grawitacyjnych rura, w której porusza się światło lasera, ma 4 kilometry długości.

Była to pierwsza obserwacja potwierdzająca rozważaną od lat, ale nie mogącą doczekać się bezpośredniego dowodu hipotezę, że błyski gamma powstają w trakcie zlewania się gwiazd neutronowych. W ciągu następnych kilku miesięcy nie tylko udało się zlokalizować galaktykę, w której do owego zlania się gwiazd neutronowych doszło, lecz także zaobserwować przewidziane przez astrofizyków Bohdana Paczyńskiego i Li-Xin Li z Chin, zjawisko rozpadu niestabilnych jąder ciężkich pierwiastków w materii wyrzuconej w trakcie łączenia się gwiazd neutronowych.

Nastanie ery obserwacji zjawisk zachodzących w kosmosie za pomocą wielu posłańców jednocześnie, porównać można do rewolucji w medycynie, która nadeszła, gdy lekarze – skazani dotychczas na opukiwanie i osłuchiwanie pacjentów – zyskali dostęp do coraz bardziej wyrafinowanych badań laboratoryjnych, zdjęć rentgenowskich, a później tomografii komputerowej czy obrazowania za pomocą rezonansu magnetycznego. Nowi posłańcy pozwalają nam na wniknięcie do wnętrza gwiazd czy zobaczenia stanu wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu.

Okno czwarte: na wiatr neutrin słonecznych

Ale znaczenie i możliwości wieloposłańcowych obserwacji nie ograniczają się do jedynie do astronomii, astrofizyki czy kosmologii. Są one też niezwykle obiecujące z perspektywy fizyki fundamentalnej. W zderzających się gwiazdach neutronowych czy też w otoczeniu czarnych dziur zachodzą procesy przy energiach miliony razy większych niż te, które nadać możemy cząstkom elementarnym w ziemskich laboratoriach. Cząstki te – fotony, neutrina, protony – obserwujemy następnie na Ziemi, co pozwala nam na testowanie teorii mikroświata w warunkach niemożliwych do odtworzenia w wielkich zderzaczach cząstek elementarnych.

Żeby to unaocznić, wspomnieć warto pierwszą chyba obserwację wykonaną za pomocą wielu posłańców. Chodzi tu o problem słonecznych neutrin.

Słońce jest zapewne obiektem najstarszych obserwacji. Przez tysiące lat astronomowie cierpliwie kumulowali wiedzę o procesach w nim zachodzących, ale dopiero w XX w. udało się odpowiedzieć na pytanie, dlaczego świeci. W latach 30. wiedza na temat fizyki reakcji jądrowych była już na tyle głęboka, że naukowcy potrafili określić precyzyjnie, że źródłem światła słonecznego (i innych gwiazd) jest reakcja termojądrowa zachodząca w jego jądrze, w efekcie której jądra wodoru przekształcają się w jądra helu. W trakcie produkowana jest olbrzymia ilość energii w postaci fotonów, które następnie docierają do powierzchni gwiazdy i głównie jako światło widzialne wypromieniowywane są na zewnątrz.

Ale nie tylko fotony powstają w wyniku reakcji termojądrowych wewnątrz Słońca. Tworzone są też w wielkiej liczbie neutrina elektronowe, cząstki elementarne z wielką łatwością przenikające przez materię (dziesiątki miliardów przenika w każdej sekundzie przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała). Istnienie neutrin przewidziane zostało już w latach 30., ale ich wielka przenikliwość spowodowała, że udało je się zaobserwować dopiero w 1956 r., a upłynąć musiało kolejne dziesięciolecie, zanim udało się pierwszy raz w miarę dokładnie zmierzyć ich strumień pochodzący ze Słońca. Ku zaskoczeniu naukowców okazało się, że jest on znacznie mniejszy niż przewidywał model teoretyczny opisujący efekty zachodzące wewnątrz naszej gwiazdy. To spowodowało wieloletni kryzys w astrofizyce i fizyce cząstek elementarnych.

Eksperyment Super-Kamiokande, detektor neutrin słonecznych zainstalowany w danej kopalni Mozumi, w japońskiej prefekturze Gifu. Potężny, obłożony powielaczami i wypełniony wodą cylinder ma ponad 40 metrów wysokości i niemal tyle samo średnicy.t2k-experiment/pulsarEksperyment Super-Kamiokande, detektor neutrin słonecznych zainstalowany w danej kopalni Mozumi, w japońskiej prefekturze Gifu. Potężny, obłożony powielaczami i wypełniony wodą cylinder ma ponad 40 metrów wysokości i niemal tyle samo średnicy.

Początkowo uważano, że za odchylenie od przewidywanych wyników odpowiada niedostateczne zrozumienie astrofizyki gwiazd. Później nieśmiało zaczęły dochodzić do głosu opinie, że być może nasze rozumienie fundamentów fizyki cząstek elementarnych jest nieadekwatne. W 1998 r. Super-Kamiokande Neutrino Detection Experiment udowodnił niezbicie, że prawdziwa jest ta druga opcja i że neutrino ma nieco inne właściwości, niż te przewidziane przez tzw. model standardowy fizyki cząstek elementarnych. Model ten przewiduje, że neutrina, podobnie jak fotony, nie mają masy. Tymczasem okazało się, że mają – bardzo niewielką, ale jednak. Do dzień nie do końca rozumiemy, skąd ona się bierze, a w szczególności, dlaczego jest taka mała, niemal milion razy mniejsza niż masa elektronu.

I właśnie wspominając historię odkrycia masy neutrina, fizycy, astrofizycy i kosmologowie z tak wielką nadzieją przyglądają się narodzinom wieloposłańcowej astronomii. Spodziewamy się, że pozwoli ona nie tylko na zobaczenie tego, czego dotychczas dostrzec nie potrafiliśmy, ale przede wszystkim – że dostarczy nowych frapujących zagadek, których rozwiązanie pozwoli na lepsze zrozumienie kosmosu, w makro i mikroskali.

Badania autora nad zagadnieniami omawianymi w tym artykule są częściowo finansowane przez grant NCN numer 2019/33/B/ST2/00050.

Reklama

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną