Niewidoczne dla oka: chłodny i odległy wszechświat Understand article

Tłumaczenie Ewa Stokłosa. W piątym i ostatnim artykule z serii poświęconej astronomii i spektrum elektromagnetycznemu przyjrzymy się jak naukowcy wykorzystują misje Europejskiej Agencji Kosmicznej do obserwacji nieba w zakresie dalekiej podczerwieni, submilimetrowym i mikrofalowym.

Pięć tysięcy lat świetlnych od Ziemi znajduje się najchłodniejszy znany nam obiekt we wszechświecie – Mgławica Bumerang, czyli umierająca gwiazda, która pozostawiła po sobie chmurę gazu o temperaturze zaledwie jednego stopnia powyżej zera bezwzględnego (0 K). Chmura ta, jak inne chłodne obiekty we wszechświecie, jest niewidoczna gołym okiem.

Im obiekt jest chłodniejszy, tym dłuższe fale światła emituje^w1. Przy temperaturze 50 K i niższej chłodne obszary gazu międzygwiazdowego i pyłu kosmicznego emitują światło w zakresie dalekiej podczerwieni (od 25 do 350 μm) oraz submilimetrowym (od 350 μm do 1 mm), czyli o falach o wiele dłuższych, niż dostrzegalne dla naszych oczu. Skąd więc wiemy, że te chłodne obiekty istnieją? Aby wykryć promieniowanie i „dostrzec” obiekty w zakresie wykraczającym poza światło widzialne astronomowie korzystają z wyspecjalizowanych teleskopów rejestrujących fale podczerwone, submilimetrowe oraz mikrofale.

Podejście takie nie jest pozbawione trudności: światło o tych długościach jest pochłaniane przez parę wodną i inne cząsteczki ziemskiej atmosfery, co czyni obserwacje naziemne niezwykle skomplikowanymi, a w przypadku dalekiej podczerwieni po prostu niemożliwymi. Atmosfera emituje światło o długości wielu fal podczerwonych, sama będąc niechcianym źródłem szumu tłumiącym kosmiczne sygnały, którymi zainteresowani są astronomowie.

Aby rozwiązać te problemy, teleskopy wykrywające długie fale można umieścić w suchych, wysoko położonych rejonach. Na przykład największy odbiornik radioastronomiczny – Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – znajduje się w chilijskich Andach. Położenie na 5000 metrów sprawia, że jest to jedno z najwyżej ulokowanych miejsc obserwacyjnych na świecie, a badane w nim światło pochodzi z najchłodniejszych obiektów we wszechświecie (jak opisali Mignone & Pierce-Price, 2010).

Europejska Agencja Kosmiczna^w2 (ang. European Space Agency, ESA) poszła o krok dalej i 14 maja 2009 roku wystrzeliła w kosmos dwa nowe obserwatoria kosmiczne. Kosmiczne Obserwatorium Herschela oraz satelita Planck pracowały ponad ziemską atmosferą badając chłodny i daleki wszechświat. W astronomii obserwacja dalekich obiektów oznacza cofanie się w czasie. Teleskop obserwujący galaktykę oddaloną o 100 milionów lat świetlnych pokazuje nam ten obiekt tak, jak wyglądał on 100 milionów lat temu, gdy światło zostało przez niego wyemitowane. Nasz wszechświat rozszerza się, więc długość fal świetlnych uwalnianych przez odległe gwiazdy i galaktyki zostaje rozciągnięta jeszcze bardziej zanim dotrą one do teleskopu na Ziemi czy w jej okolicach – zjawisko to nazywane jest przesunięciem ku czerwieni^w3.

Kosmiczne Obserwatorium Herschela dysponowało 3,5-metrowym teleskopem do obserwacji w zakresie dalekiej podczerwieni i submilimetrowym, a jego misją było badanie powstania i ewolucji gwiazd i galaktyk. Z kolei celem satelity Planck było badanie promieniowania będącego pozostałością po Wielkim Wybuchu poprzez obserwacje całego nieba w zakresie submilimetrowym i mikrofalowym. Do roku 2013, gdy obie misje zakończono, ich obserwacje dostarczyły astronomom wiele brakujących dotąd informacji.

Jak rodzą się gwiazdy

Przy obserwacjach w zakresie fal długich wyraźnie zaobserwować można chłodną mieszaninę gazu i pyłu przenikającą galaktyki. Ten międzygwiazdowy ośrodek jest surowym materiałem, z którego powstają gwiazdy i planety: w najgęstszych rejonach obłoków molekularnych grawitacja sprawia, że gaz i pył kurczą się i podlegają fragmentacji, co ostatecznie prowadzi do narodzin gwiazd.

W pełni rozwinięte gwiazdy świecą najjaśniej w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (jak opisali to Mignone & Barnes, 2014), ale pierwsze etapy formowania się gwiazd dostrzec można w innych zakresach promieniowania elektromagnetycznego. Pojedyncze proto-gwiazdy w Drodze Mlecznej i pobliskich galaktykach można obserwować na falach dalekiej podczerwieni i submilimetrowych.
 

Obserwacje teleskopu Herschela ujawniły, że ośrodek międzygwiazdowy naszej galaktyki jest w każdej skali przeplatany włóknami struktur gazy i pyłu. Od pobliskich obłoków z gęstwinami włókien o długości kilku lat świetlnych, po gigantyczne struktury rozciągające się na odległość setek lat świetlnych na spiralnych ramionach Drogi Mlecznej, owe twory – z których tylko kilka znanych było przed misją Herschela – wydają się być wszędzie.

Astronomowie uważają, że włókna są istotne dla powstawania gwiazd: gdy gęstość gazu i pyłu międzygwiazdowego w włóknie przekroczy wartość krytyczną, może się ono stać niestabilne grawitacyjnie, tworząc gęstsze skupiska materii, z których w końcu powstać mogą gwiazdy.

Przeglądając całe niebo, satelita Planck wykrył tysiące chłodnych i gęstych skupisk, w których rodzą się gwiazdy i pokazał, że wydają się nie być one od siebie odizolowane, lecz ze sobą połączone. Tworzą ogromne struktury włókniste przecinające Drogę Mleczną, przypominające mniejsze włókna wykryte przez Kosmiczne Obserwatorium Herschela.

Powstanie i ewolucja galaktyk

Obserwacja rejonów Drogi Mlecznej, w których rodzą się nowe gwiazdy daje nam teraz wgląd w procesy gwiazdotwórcze bliższe Ziemi. Jednak misja Herschel była również ważna dla badania ewolucji powstawania gwiazd w galaktykach w całej historii kosmosu.

Badania oparte na obserwacjach Herschela pokazują na przykład, że w historii wszechświata większość gwiazd powstawała w sposób raczej spokojny, w galaktykach uważanych za „normalne” dla epoki, w której je obserwujemy, niż poprzez gwałtowne i burzliwe wydarzenia, takie jak łączenie się galaktyk.

Takie połączenia, choć spektakularne, są względnie rzadkie i trwają krótko. Nie zdominowały kosmicznej historii powstawania gwiazd przynajmniej przez ostatnie 10 miliardów (10¹⁰) lat. Warunkiem koniecznym w procesie powstawania gwiazd jest odpowiednia ilość gazu gwiazdotwórczego w galaktyce, który to gaz może być dostarczony przez międzygalaktyczne strumienie chłodnego gazu.

Wczesny wszechświat

Najstarszym światłem w historii naszego wszechświata, liczącego sobie 13,8 miliarda lat, jest kosmiczne promieniowanie tła (ang. Cosmic Microwave Background, CMB) – pozostałość po promieniowaniu termicznym Wielkiego Wybuchu. CMB to ślad po gorącym, gęstym stanie wczesnego kosmosu, wytworzony zaledwie 380 000 lat po tym wydarzeniu, który jest najwcześniejszym momentem możliwym do zaobserwowania poprzez światło. Jest skarbnicą informacji na temat powstania i ewolucji struktur we wszechświecie, a można go zaobserwować z pomocą mikrofal.

Planck był trzecią misją kosmiczną badającą ten relikt wczesnego wszechświata na całym niebie, po satelitach COBE i WMAP wystrzelonych przez NASA. Satelita Planck w niezwykłym szczególe stworzył mapę maleńkich różnic temperatury CMB – zaledwie 0,00001 K powyżej i poniżej temperatury tła, wynoszącej 2,73 K^w4.

Niewielkie fluktuacje ukazują rejony o odrobinę innej gęstości materii wypełniającej wczesny kosmos, zanim powstały jakiekolwiek gwiazdy i galaktyki. Stały się one zalążkami wokół których mogły później się uformować się wszystkie przyszłe struktury, w tym dzisiejsze gwiazdy i galaktyki.

Mapa Plancka jest dotychczas najbardziej precyzyjnym obrazem wczesnego wszechświata, potwierdza powszechnie uznawany obraz kosmosu i umożliwia astronomom oszacowanie jego wieku, wskaźnika ekspansji oraz składu z jeszcze większą dokładnością.

Web References

• w1 – Dowiedz się jak długość fali, na której obiekt niebieski emituje większość światła jest powiązana z jego temperaturą.

• w2 – ESA to europejskie wrota do kosmosu z siedzibą w Paryżu.

• w3 – Przeczytaj więcej o przesunięciu ku czerwieni i dlaczego jest ono ważne w astronomii.

• w4 – Dowiedz się więcej o satelicie Planck i kosmicznym promieniowaniu tła.

Resources

• Aby dowiedzieć się więcej o misjach Planck i Herschel Europejskiej Agencji Kosmicznej, obejrzyj drugi i trzeci odcinek Science@ESA vodcasts.

• Herschel i Planck były wyposażone w najnowocześniejsze systemu chłodzące, aby czujniki miały temperaturę kilku stopni powyżej zera bezwzględnego.

• Zajrzyj do galerii zdjęć satelity Herschel online.

• Więcej dostępnych za darmo materiałów edukacyjnych stworzonych przez ESA znajdziesz na stronie: www.esa.int/educationmaterials

• Poniżej znajdziesz wcześniejsze artykuły z serii poświęconej astronomii i spektrum elektromagnetycznemu:

• Mignone C, Barnes R (2011) More than meets the eye: the electromagnetic spectrum. Science in School 20: 51–59.

• Mignone C, Barnes R (2011) More than meets the eye: unravelling the cosmos at the highest energies. Science in School 21: 57–64.

• Mignone C, Barnes R (2012) More than meets the eye: the exotic, high-energy Universe. Science in School 24: 53–58.

• Mignone C, Barnes R (2014) More than meets the eye: how space telescopes see beyond the rainbow. Science in School 29: 49–54.

• Przeczytaj o ALMA, największym odbiorniku radioastronomicznym:

• Mignone C, Pierce-Price D (2010) Obserwatorium astronomiczne ALMA – kosmos ledwie o krok dalej. Science in School 15.

Institutions

Author(s)

Claudia Mignone jest popularyzatorką nauki w dyrektoriacie ds. nauki Europejskiej Agencji Kosmicznej (Vitrociset Belgia). Studiowała astronomię na Uniwersytecie Bolońskim, a doktorat z kosmologii uzyskała na Uniwersytecie w Heidelbergu. Zanim dołączyła do ESA pracowała w biurze edukacyjnym w Europejskim Obserwatorium Południowym (ang. English Southern Observatory, ESO).

Rebecca Barnes jest specjalistką ds. edukacji w Dyrektoriacie ds. nauki Europejskiej Agencji Kosmicznej (HE Space Operations). Studiowała fizykę z astrofizyką na Uniwersytecie w Leicester i pracowała w wydziałach edukacji i popularyzacji nauk o kosmosie w brytyjskim National Space Centre. Jeśli chcesz wiedzieć więcej o działalności edukacyjnej dyrektoriatu ds. nauki ESA, możesz skontaktować się z Rebbeccą pod adresem SciEdu@esa.int.

Review

Artykuł poświęcony jest temu, jak astronomom udaje się odpowiadać na najbardziej wnikliwe pytania dotyczące zarania wszechświata i tego, w jaki sposób powstawały (i powstają) w nim gwiazdy.

Może on zostać wykorzystany jako przyczynek do dyskusji nad następującymi kwestiami:

• Jak astronomowie wykorzystują spektrum elektromagnetyczne?
• Czego możemy się dowiedzieć badając kosmiczne promieniowanie tła?
• Czy uzasadnione są koszty misji kosmicznych?

Robert Woodman, Ysgol Bro Gwaun, Zjednoczone Królestwo

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF