Sonda Integral w kosmosie, w tle błysk gamma - wizja artysty

Na trop kosmicznych błysków gamma zwanych po angielsku Gamma-Ray-Bursts (w skrócie GRB) trafiły przypadkowo satelity szpiegowskie, które miały w początku lat siedemdziesiątych śledzić próbne wybuchy jądrowe na Ziemi. Kosmiczna eksplozja skalą przerastała jednak wszelkie ludzkie wyobrażenia. Są to najbardziej gwałtowne wybuchy od Wielkiego Wybuchu. Kosmiczne błyski promieniowania gamma trwają od kilku milisekund do tysięcy sekund. Jest to dość duży zakres, lecz wyróżnić w nim można wyraźnie dwie grupy, które astronomowie nazywają długimi błyskami gamma (trwającymi dłużej niż 2 sekundy) i krótkimi błyskami (trwającymi krócej niż 2 sekundy), które stanowią jedną trzecią wszystkich błysków. Po błysku gamma powstaje poświata promieniowania rentgenowskiego i również w zakresie widzialnym co umożliwia pomiar odległości od źródła wybuchu.
Niezwykłym silnym błyskom towarzyszy ogromna ilość energii. W ciągu sekundy wyzwala się jej tyle, ile Słońce uwolni w ciągu całego życia. Typowa ilość światła wyemitowana w błysku gamma wiąże się z przemianą około 1% masy Słońca w czystą energię. Dla porównania, energia wyzwolona w wybuchu współczesnej bomby atomowej odpowiada przemianie około 1 grama materii. Mówiąc bardziej obrazowo, błysk gamma wyzwala tyle energii co wybuch 10 do 31 potęgi (jest to liczba 1 z 31 zerami) bomb atomowych.
W październiku 2002 roku wysłano na wokółziemską orbitę satelitę Integral do badania kosmicznych źródeł promieniowania gamma. Ten kosmiczny teleskop obserwuje niebo w zakresie promieniowania gamma z dużą rozdzielczością kątową, która umożliwiła odkrycie wielu nowych źródeł gamma.

Sonda SWIFT

W listopadzie 2004 roku wystartowała, warta 250 milionów dolarów sonda SWIFT, której głównym zadaniem jest rejestrowanie i badanie błysków gamma. Układ pomiarowy składa się z teleskopów promieniowania gamma, rentgenowskiego i optycznego. Główny instrument satelity Swift - Burst Alert Telescope (BAT) określa położenie błysków z dokładnością 1-4 sekund kątowych. Informacja ta w ciągu 20 sekund jest przesłana do ziemskich teleskopów obserwujących poświaty po błyskach gamma, a także służy do natychmiastowego przekierowania satelity tak, aby błysk leżał w polu widzenia X-ray Telescope (XRT) i UltraViolet/Optical Telescope (UVOT), czyli innych instrumentów sondy pracujących odpowiednio w promieniach Rentgena i w ultrafiolecie. Dzięki temu sam błysk jest śledzony w prawie całym zakresie widma elektromagnetycznego. 4 września 2005 roku satelita Swift zarejestrował błysk gamma oznaczony GRB 050904 znajdujący się w rekordowej odległości 13 miliardów lat świetlnych i trwał aż 200 sekund.
Przez długi czas astronomom nie mieściło się w głowie, że mogą zdarzać się tak potężne kataklizmy, widoczne z każdego miejsca we Wszechświecie. Dlatego podejrzewali, że błyski gamma nie są tak gwałtowne, rodzą się w pobliżu, w naszej Galaktyce, np. wskutek spadania materii na powierzchnię gwiazdy neutronowej. Kilka lat temu po raz pierwszy dostrzeżono blask optyczny wybuchu i wykazano, że dzielą nas od niego miliardy lat świetlnych.

Wybuch supernowej zarejestrowany przez sondę SWIFT

Na początku 2002 roku zarejestrowano poprzez satelitę rentgenowskiego XMM-Newton błysk o nazwie GRBO11211 obrazujący wybuch w odległości 10 miliardów lat świetlnych. Po zbadaniu światła rentgenowskiego okazało się, że pochodzi ono z chmury gorącego gazu, który w wyniku eksplozji poruszał się w kierunku Ziemi z szybkością równą jednej dziesiątej prędkości światła. Oprócz tego zdołano określić składniki wyrzuconej chmury. Zawierała ona cząsteczki magnezu, krzemu, siarki, argonu i wapnia. Taka Struktura jest typowa dla eksplozji supernowej, kończącej żywot gwiazd olbrzymów.
Obecnie sądzi się, że długi błysk gamma (trwający dłużej niż 2 sekundy) powstaje w momencie wybuchu (wybuch supernowej) zwykłej masywnej gwiazdy o masie kilkudziesięciu mas Słońca. Wprowadzono dla nich nazwę - wybuch hipernowej. Po wybuchu w środku powstaje czarna dziura otoczona wirującym dyskiem materii. Dysk zostaje szybko wchłonięty przez dziurę, przy czym wyzwalają się olbrzymie ilości energii. Jeżeli czarna dziura szybko się obraca to energia błysku zostaje zogniskowana w wąską wiązkę zwaną dżetem. Cząstki w tej strudze poruszają się z prędkością bliską prędkości światła i w odległości 100 milionów kilometrów od centrum kolapsu oddają swoją energię w postaci wysokoenergetycznego promieniowania gamma, które my obserwujemy jako błysk. Dżet zderza się z materią wybuchającej gwiazdy i przekazuje jej część swojej energii, wzbudzając poświatę rentgenowską. Tak więc długie błyski gamma powstają podczas wybuchu bardzo dużych i szybko obracający się gwiazd.
Trudniej jest wytłumaczyć krótkie i słabsze błyski trwające mniej niż 2 sekundy. Obecnie sądzi się, że jest to efekt łączenia się ze sobą dwóch masywnych gwiazd powstałych z podwójnych układów gwiazd: gwiazdy neutronowej z gwiazdą neutronową, czarnej dziury z czarną dziurą lub gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Zgodnie z przewidywaniami, każdą z

Błysk gamma - wizja artysty

tych egzotycznych par czeka taki sam koniec. Jej składniki będą się do siebie powoli zbliżały po ciasno zwiniętej spirali aż do chwili, w której odległość między nimi będzie porównywalna z ich rozmiarami. Zleją się wtedy błyskawicznie w jeden obiekt (niezależnie od składników będzie to czarna dziura) wyzwalając olbrzymie ilości energii i wzbudzając bardzo silny impuls fal grawitacyjnych. W otoczeniu pary zlewającej się pary obiektów nie ma prawie wcale materii, dzięki czemu powstały dżet traci niewiele energii i poświata rentgenowska jest słaba. Powstała czarna dziura ma na ogół niewielką masę (kilka mas Słońca), co tłumaczy stosunkowo niską energię krótkich błysków gamma. Takie słabe błyski gamma zarejestrowano 9 i 24 lipca oraz 13 sierpnia 2005 roku. Dochodziły one z rejonów galaktyki eliptycznej gdzie dużo jest układów dwóch gwiazd neutronowych. Zarejestrowano słabą poświatę rentgenowską, a powstała poświata optyczna przygasała jednostajnie inaczej niż w błyskach długich. Jeśli jeszcze uda nam się wykryć impuls fal grawitacyjnych to będziemy już pewni, że krótkie błyski powstają w wyniku zderzenia dwóch obiektów.
Na początku 2005 roku prof. Bohdan Paczyński i prof. Paweł Haensel wysunęli śmiałą hipotezę, że błyski gamma powstają w momencie powstawania hipotetycznych gwiazd kwarkowych w wyniku wybuchu niektórych supernowych. Najpierw powstaje gwiazda neutronowa, a niedługo potem zamienia się ona w gwiazdę kwarkową. Powierzchnia gwiazdy kwarkowej nie wypuszcza żadnych cięższych cząstek. Do środka mogą wpadać nukleony (protony i neutrony) które natychmiast rozkładają się tam na kwarki. Ale na zewnątrz mogą wymknąć się tylko lekkie neutrina, elektrony, pozytrony oraz fotony, ponieważ one nie podlegają oddziaływaniu silnemu. Prawie cała energia związana z gwałtownymi narodzinami gwiazdy kwarkowej może więc zostać wyemitowana w kosmos w postaci strumienia materii mknącego z prędkością podświetlną, a w efekcie w postaci silnego błysku gamma. Hipoteza ta więc za jednym zamachem może rozwiązać aż dwie zagadki, jedne z największych we współczesnej astrofizyce. Polacy nie tylko opisali hipotetyczny kataklizm, zaproponowali też, jak go wykryć. Jeśli mają rację, to najpierw powinno nadejść na Ziemię słabsze promieniowanie od supernowej, a mniej więcej za minutę z tego samego miejsca silny błysk gamma od gwiazdy kwarkowej.
Być może gigantyczna, kosmiczna eksplozja w postaci błysku gamma mogła być przyczyną wymierania gatunków, które miało miejsce 450 milionów lat temu w okresie ordowiku. Zdaniem naukowców trwające 10 sekund zjawisko mogło pozbawić naszą planetę nawet połowy powłoki ozonowej. Przenikające przez atmosferę pozbawioną ozonu promieniowanie ultrafioletowe Słońca mogło w ciągu wielu lat zabić większość istot żywych na lądzie oraz w pobliżu powierzchni oceanów i jezior. Ucierpiałby zwłaszcza plankton, początkowe ogniwo łańcucha pokarmowego. Planktonem, czyli drobnymi organizmami żywią się większe, a nimi duże drapieżniki.

---

Gromada galaktyk w Warkoczu Bereniki

Wszystkie obecne pomiary stwierdzają, że Wszechświat się rozszerza coraz szybciej. Z niewiadomego powodu ucieczka galaktyk uległa od jakiegoś czasu przyspieszeniu. Naukowcy najczęściej tłumaczą to działaniem tajemniczego czynnika zwanego ciemną energią, który ma charakter odpychający. Ale na razie nie ma jednoznacznego potwierdzenia doświadczalnego istnienia takiej formy energii.
Obecnie pojawiają się inne sposoby wytłumaczenia przyspieszenia ucieczki galaktyk. Jedną z nich jest nowa próba sformułowania kwantowej teorii grawitacji, opierająca się na teorii strun. Każdą cząstkę w tej teorii traktujemy jako oscylacje (drgania) maleńkich strun. Zgodnie z teorią strun przestrzeń jest dziesięcio lub jedenastowymiarowa, ale trzy wymiary tylko widzimy, z pozostałe zostały zwinięte do bardzo małych rozmiarów i ich ani nie obserwujemy, ani nie możemy w nich się poruszać. Nowa hipoteza stwierdza, że dodatkowe wymiary mogą

Centrum gromady galaktyk w Pannie

mieć w istocie rozmiary nieskończone dla oddziaływania grawitacyjnego. W przeciwieństwie do materii, czyli elektronów, protonów i fotonów, cząstki przenoszące oddziaływanie grawitacyjne - grawitony mogą poruszać się również w dodatkowych wymiarach. Dokładnie są to grawitony o dużej długości fali. Wtedy zmianie uległo by podstawowe prawo grawitacji. Jeśli grawitony mogą poruszać się w jednym dodatkowym wymiarze to siłą oddziaływania jest odwrotnie proporcjonalna do sześcianu odległości, jeśli dwa dodatkowe wymiary, to odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi itd. Zwykłe grawitony o pośredniej długości fali nie mogą wydostać się do dodatkowych wymiarów i lokalnie obserwujemy oddziaływanie grawitacyjne odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości, zgodnie z prawem powszechnego ciążenia Newtona. Zmiana prawa grawitacji byłaby wtedy przyczyną przyspieszania rozszerzania Wszechświata.
Inna teoria zakłada istnienie dodatkowego rodzaju grawitonów, które w przeciwieństwie do zwykłych grawitonów, mają niewielką masę. A jak wiedzą fizycy, jeśli grawitony mają masę, to grawitacja nie spełnia prawa odwrotnych kwadratów.
Kto ma rację rozstrzygną dalsze obserwacje obiektów astronomicznych, zwłaszcza dalekich supernowych.

Opracowano na podstawie artykułu Georgi Dvali "Moce ciemności" zamieszczonego w numerze 3/2004 "Świata Nauki".

---

Artystyczna wizja wysyłania dżetów

Odkryto gwiazdę neutronową, z której tryskają strugi materii niemal z prędkością światła. Takie fontanny materii wyrzucane przez obiekty astronomiczne nazywamy dżetami.
Dżety, należą do najgwałtowniejszych zjawisk w kosmosie. Dotychczas dostrzeżono je tylko w otoczeniu masywnych czarnych dziur. Mogą one znajdować się w jądrach odległych galaktyk, tzw. kwazarach, gdzie jak przypuszczają astronomowie mieszczą się olbrzymie czarne dziury o masie miliony większej od masy Słońca i w obiektach zwanych mikrokwazarami.
Dżety strzelające z kwazarów są bardzo wąskie, mają rozwarcie kilku stopni i długość dochodzącą nawet do dziesiątków milionów lat świetlnych. Ich prędkości osiągają 95 proc. prędkości światła lub więcej. Biegną wzdłuż osi, zapewne osi rotacji czarnej dziury, w obu przeciwnych kierunkach, ale często widać tylko jedną połowę dżetu, tę, która leci w naszym kierunku.

Artystyczna wizja wysyłania dżetów

Do tej pory nie ma jednoznacznej teorii tłumaczącej to zjawisko. Za najlepszą przyjmowano, że dżety tworzą się kosztem energii rotacyjnej czarnej dziury. Energię tę wysysa zaś z wirującej czarnej dziury pole magnetyczne.
Ostatnie "Nature" zachwiało tą dość popularną teorią. Badacze opisują w nim szybko wirującą gwiazdę neutronową, która wzdłuż swojej osi obrotu wyrzuca w przestrzeń kosmiczną takie same relatywistyczne dżety jak czarne dziury.
Być może energia dżetu pochodzi z dysków akrecyjnych (obłoku materii spadającej na czarną dziurę lub gwiazdę neutronową), a pole magnetyczne odgrywa ważna rolę w tym procesie. Nie znamy jednak tego mechanizmu.

Opracowano na podstawie artykułu z "Gazety Wyborczej" zamieszczonego 20.01.2004

---