Skocz do zawartości


Od supernowych do antygrawitacji


  • Zaloguj się, aby dodać odpowiedź
Brak odpowiedzi do tego tematu

#1 Gość_muhad

Gość_muhad.
  • Tematów: 0

Napisano

Od supernowych do antygrawitacji
Wybuchy dalekich gwiazd naprowadziły badaczy na trop tajemniczego czynnika, który jest źródłem odpychania grawitacyjnego


Od czasów Newtona aż do końca lat dziewięćdziesiątych uważano, że oddziaływanie grawitacyjne jest oddziaływaniem wyłącznie przyciągającym. Dowodów na to było wiele. Grawitacja przyciska nas do Ziemi, zwalnia lot podrzucanych piłek i utrzymuje Księżyc na orbicie wokół naszej planety. W większej skali - nie pozwala rozpaść się Układowi Słonecznemu, a w jeszcze większej - wiąże w całość olbrzymie gromady galaktyk. Ogólna teoria względności Einsteina dopuszcza wprawdzie możliwość istnienia grawitacji odpychającej, lecz większość fizyków uważała do niedawna, że jest to możliwość czysto teoretyczna, bez znaczenia dla tego, co dzieje się w rzeczywistym Wszechświecie. Aż do niedawna astronomowie byli pewni, że uda im się zaobserwować spowodowane przez grawitację zmniejszanie się tempa ekspansji Wszechświata.

Racji nie mieli ani jedni, ani drudzy. W 1998 roku nieoczekiwanie odkryto drugą stronę oddziaływania grawitacyjnego. Dokładne obserwacje odległych supernowych - wybuchających gwiazd, które przez krótką chwilę świecą jaśniej niż 10 mld Słońc - wykazały, że są one słabsze, niż oczekiwano. Najbardziej wiarygodna hipoteza wyjaśniająca tę rozbieżność głosi, że światło supernowej, która wybuchła miliardy lat temu, przebyło znacznie dłuższą drogę, niż wskazywały na to obliczenia teoretyków. To zaś z kolei oznacza, że wbrew wszelkim oczekiwaniom Wszechświat przyśpiesza, zamiast zwalniać. Odkrycie, które radykalnie zmieniało nasze wyobrażenia o ekspansji Wszechświata, trudno było zaakceptować. Niektórzy kosmolodzy próbowali wytłumaczyć niską jasność supernowych innymi efektami, na przykład pochłanianiem światła przez pył międzygalaktyczny. Jednak w ciągu ostatnich kilku lat obserwacje jeszcze odleglejszych supernowych utwierdziły astronomów w przekonaniu, że Wszechświat rzeczywiście przyśpiesza.

Jak przebiegało to przyśpieszanie? Czy Wszechświat rozpędzał się nieustannie od momentu swego powstania, czy też prędkość jego ekspansji zaczęła wzrastać stosunkowo niedawno - na przykład około 5 mld lat temu? Odpowiedź na te pytania ma daleko idące konsekwencje. Jeśli naukowcy odkryją, że Wszechświat przyśpieszał od początku swego istnienia, będą musieli całkowicie zmienić obowiązującą teorię ewolucji kosmosu. W przypadku gdyby przyśpieszenie pojawiło się później, można będzie określić jego przyczynę - jeżeli tylko uda się ustalić moment, w którym to nastąpiło. Badania te pozwolą znaleźć odpowiedź na pytanie o przyszłe losy Wszechświata.


Wojna tytanów

PRAWIE 75 LAT TEMU astronom amerykański Edwin Hubble stwierdził, że inne galaktyki oddalają się od naszej, odkrywając tym samym zjawisko rozszerzania się Wszechświata. Zauważył też, że dalekie galaktyki oddalają się szybciej niż bliskie - zgodnie z prawem znanym dziś jako prawo Hubble'a (prędkość galaktyki jest równa jej odległości od obserwatora pomnożonej przez stałą Hubble'a). W ogólnej teorii względności Einsteina prawo Hubble'a wynika z faktu jednorodnego rozszerzania się przestrzeni, które można interpretować jako zwiększanie skali rozmiarów Wszechświata.

W teorii Einsteina wszystkie znane formy materii i energii w całym kosmosie wzajemnie się przyciągają. Zgodnie z ogólną teorią względności prędkość ekspansji Wszechświata powinna zatem maleć w tempie zależnym od ich gęstości. Ale teoria ta dopuszcza również możliwość istnienia dziwnych form energii, które są źródłem odpychającej grawitacji. Odkrycie, że Wszechświat przyśpiesza, zamiast zwalniać, sugeruje istnienie takiej właśnie formy, powszechnie określanej jako ciemna energia.

To, czy Wszechświat zwalnia, czy przyśpiesza, zależy od wyniku zmagań dwóch tytanów: przyciągającej materii i odpychającej ciemnej energii. W walce tej najważniejszym czynnikiem jest gęstość. Gęstość zwykłej materii maleje w miarę rozszerzania się Wszechświata, ponieważ wzrasta jego objętość. (Tylko niewielki procent materii występuje w postaci świecących gwiazd. Większość to tzw. ciemna materia, która o swym istnieniu daje znać jedynie za pośrednictwem przyciągania grawitacyjnego, nie oddziałując w żaden inny znany nam sposób ani ze zwykłą materią, ani ze światłem). O ciemnej energii wiadomo niewiele, ale teoretycy oczekują, że w miarę jak Wszechświat się rozszerza, jej gęstość pozostaje stała lub zmienia się tylko nieznacznie. Obecnie gęstość ciemnej energii jest większa niż materii, ale w odległej przeszłości musiało być odwrotnie i kosmos powinien spowalniać swoją ekspansję. Kosmolodzy mają też inne powody, aby sądzić, że Wszechświat nie zawsze przyśpieszał. Gdyby tak było, nie umiano by wytłumaczyć, w jaki sposób powstały obiekty, które się w nim obecnie znajdują. Zgodnie z obowiązującą teorią galaktyki, gromady galaktyk i jeszcze większe struktury rozwinęły się z małych niejednorodności, jakie istniały w rozkładzie materii w bardzo wczesnym Wszechświecie. Owe pierwotne niejednorodności obserwuje się dziś w postaci drobnych fluktuacji temperatury mikrofalowego promieniowania tła. Silniejsza grawitacja w obszarach o zwiększonej gęstości materii zmniejszała lokalnie tempo ekspansji, co umożliwiło formowanie się związanych grawitacyjnie obiektów - od galaktyk podobnych do naszej do olbrzymich gromad galaktyk. Gdyby Wszechświat przyśpieszał już od pierwszych chwil swego istnienia, powstanie takich struktur byłoby niemożliwe: pierwotne zagęszczenia zostałyby rozerwane, zanim cokolwiek by się z nich utworzyło. Co więcej, w takim przypadku kluczowe parametry opisujące wczesny Wszechświat (widmo fluktuacji mikrofalowego promieniowania tła oraz ilości lekkich pierwiastków powstałych kilkadziesiąt sekund po Wielkim Wybuchu) nie zgadzałyby się ze współczesnymi obserwacjami. Aby wesprzeć wszystkie te domysły, należało jednak uzyskać jakiś dowód na to, że Wszechświat we wczesnych stadiach swego istnienia rzeczywiście ekspandował coraz wolniej. Gdybyśmy taki dowód mieli, pomogłoby nam to zrozumieć obecną fazę przyśpieszania; świadczyłoby to też o poprawności obowiązującego modelu kosmologicznego.

Odległe gwiazdy i galaktyki widzimy takimi, jakimi były miliardy lat temu. Skupiając uwagę na obiektach znajdujących się bardzo daleko od Ziemi, możemy zatem odtworzyć zamierzchłą historię kosmosu. Historia ta jest zakodowana w związku pomiędzy odległością galaktyk a ich prędkością oddalania się od siebie. Jeśli Wszechświat zwalnia, prędkości dalekich galaktyk powinny być większe, niż to przewiduje prawo Hubble'a. Jeśli Wszechświat przyśpiesza, ich prędkości powinny być mniejsze. Inaczej - w przyśpieszającym Wszechświecie galaktyka o danej prędkości będzie znajdować się dalej, niż oczekujemy (a co za tym idzie - będzie mniej jasna).


Polowanie na supernowe

ABY WYKORZYSTAĆ tę prostą zależność, musimy znaleźć obiekty, które mają jednakową moc promieniowania (czyli ilość energii wypromieniowywanej w ciągu sekundy) i mogą być obserwowane z bardzo daleka. Oba te warunki spełnia szczególna klasa supernowych - tzw. supernowe Ia. Te wybuchające gwiazdy są na tyle jasne, że przez ziemskie teleskopy widać je nawet wtedy, gdy znajdują się w połowie odległości do granicy dostępnego obserwacjom obszaru Wszechświata (Kosmiczny Teleskop Hubble'a pozwala nam sięgnąć jeszcze dalej). Przez ostatnie dziesięciolecie badacze dokładnie zmierzyli moc promieniowania supernowych Ia, dzięki czemu można teraz wyznaczyć odległość do miejsca wybuchu gwiazdy, jeśli znana jest jej obserwowana jasność.

Astronomowie potrafią określić prędkość oddalania się supernowej, mierząc przesunięcie ku czerwieni w widmie galaktyki, w której nastąpił wybuch. W rozszerzającym się Wszechświecie promieniowanie odbierane przez nas z odległych obiektów ma obniżoną częstotliwość. Na przykład światło wyemitowane w chwili, gdy Wszechświat był o połowę mniejszy niż obecnie, zmniejsza swą częstotliwość dwukrotnie (czyli podwaja długość fali) i staje się bardziej czerwone. Mierząc przesunięcie ku czerwieni i obserwowaną jasność wielu supernowych znajdujących się w różnych odległościach od Ziemi, można odtworzyć historię ekspansji Wszechświata.

Niestety, supernowe Ia wybuchają bardzo rzadko. W galaktyce takiej jak nasza pojawiają się średnio raz na kilka stuleci. W poszukiwaniu supernowych astronomowie muszą wielokrotnie obserwować ten sam skrawek nieba zawierający tysiące galaktyk i porównywać jego obrazy. Jasny punkt pojawiający się na którymś z obrazów, a niewystępujący na obrazach uzyskanych poprzednio, może być oznaką wybuchu gwiazdy. Obserwacje opublikowane w 1998 roku, które po raz pierwszy wykazały, że Wszechświat przyśpiesza, zostały wykonane przez dwa niezależne zespoły astronomów. Badali oni supernowe, które wybuchły mniej więcej 5 mld lat temu, gdy Wszechświat był o jedną trzecią mniejszy niż obecnie.

Niektórzy naukowcy mieli jednak wątpliwości, czy obserwatorzy prawidłowo zinterpretowali otrzymane dane. Czy jest możliwe, aby inne zjawiska, poza przyśpieszaniem kosmosu, mogły spowodować, że supernowe świecą słabiej, niż oczekujemy? Pył wypełniający przestrzeń międzygalaktyczną również może osłabić ich blask. Jest także możliwe, że w przeszłości supernowe miały mniejszą moc promieniowania niż obecnie. Przyczyną tego mógł być różny od obecnego skład chemiczny materii (mniej było wówczas ciężkich pierwiastków, które są produktem reakcji jądrowych toczących się wewnątrz gwiazd).

Na szczęście prosty test umożliwia weryfikację tych hipotez. Jeśli przyczyną pociemnienia supernowych jest międzygalaktyczny pył lub zmniejszona zawartość pierwiastków ciężkich, to obserwowany stopień pociemnienia powinien zwiększać się z przesunięciem ku czerwieni. Jeśli jednak pociemnienie jest wynikiem przyśpieszenia Wszechświata, które zaczęło się po fazie zwalniania, to supernowe wybuchające w fazie zwalniania zaobserwujemy jako "zbyt jasne" w stosunku do oczekiwań. Tak więc obserwacje supernowych, które wybuchały wtedy, gdy Wszechświat był o ponad jedną trzecią mniejszy niż obecnie, powinny rozstrzygnąć wszelkie wątpliwości (oczywiście nie można wykluczyć ewentualności, że jakieś nieznane zjawiska fizyczne bardzo dobrze udają obserwowane efekty przyśpieszania i spowalniania Wszechświata, ale taka sytuacja wydaje się mało prawdopodobna).

Poszukiwanie bardzo dalekich supernowych jest jednak bardzo trudne. Supernowa typu Ia, która wybuchła, gdy Wszechświat był o połowę mniejszy niż obecnie, świeci około 10 mld razy słabiej niż Syriusz, najjaśniejsza gwiazda na niebie. Teleskopy na Ziemi nie są w stanie wykryć takiego obiektu. Może tego dokonać jedynie Kosmiczny Teleskop Hubble'a. W 2001 roku jeden z nas, Riess, stwierdził, że teleskop ten wykonał kilka zdjęć odległej supernowej typu Ia, która przypadkowo znalazła się w jego polu widzenia (w literaturze astronomicznej jest ona znana jako SN 1997ff). Gdy oszacowano przesunięcie ku czerwieni światła wyemitowanego podczas wybuchu, który nastąpił około 10 mld lat temu, kiedy Wszechświat był trzykrotnie mniejszy niż obecnie, okazało się, że supernowa jest znacznie jaśniejsza, niż wynikałoby to z hipotezy o pochłanianiu światła przez międzygalaktyczny pył. Tym samym udało się zdobyć pierwszy bezpośredni dowód na istnienie w dziejach kosmosu epoki, w której jego ekspansja ulegała spowalnianiu. Zaproponowaliśmy wtedy dalsze obserwacje odległych supernowych, których celem miało być ustalenie momentu przejścia Wszechświata z fazy spowalniania do fazy przyśpieszania.

W 2002 roku na Kosmicznym Teleskopie Hubble'a zamontowano nowy instrument - Advanced Camera for Surveys - co zmieniło go w prawdziwą maszynę do polowania na supernowe. Riess stanął na czele zespołu naukowców, którego zadaniem było zebranie odpowiedniej liczby obserwacji dalekich supernowych typu Ia. Wykryto sześć supernowych, które wybuchły ponad 7 mld lat temu, kiedy Wszechświat był ponad dwukrotnie mniejszy niż obecnie. Wraz z SN 1997ff są to najodleglejsze supernowe, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. W wyniku tych badań potwierdzono fakt istnienia epoki spowalniania we wczesnych dziejach Wszechświata i ustalono, że przejście od spowalniania do przyśpieszania nastąpiło około 5 mld lat temu. Obserwacje zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi, dowodząc tym samym, że tworzona przez kosmologów wizja przeszłości Wszechświata jest - przynajmniej w ogólnych zarysach - poprawna. Kosmiczne przyśpieszenie było wielką niespodzianką, a jego natura pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej nauki. Na razie nie widać jednak potrzeby radykalnych zmian w naszym sposobie myślenia o kosmosie. Odległe supernowe nie tylko wskazały na istnienie fazy spowalniania i umożliwiły wyznaczenie momentu, w którym spowalnianie przeszło w przyśpieszanie, lecz także rzuciły nieco światła na istotę tajemniczego czynnika odpowiedzialnego za przyśpieszanie Wszechświata. Takim czynnikiem może być energia próżni, przez wielu badaczy uważana dziś za kandydata numer jeden na ciemną energię. Jej matematycznym odpowiednikiem jest wprowadzona przez Einsteina w 1917 roku stała kosmologiczna. Zgodnie z ówczesnym stanem wiedzy Einstein uważał, że Wszechświat jest statyczny (nie rozszerza się), i - aby zrównoważyć przyciągające działanie grawitacji - dodał do równań ogólnej teorii względności zawierający ową stałą "człon kosmologiczny". W statycznym Wszechświecie gęstość energii związanej ze stałą kosmologiczną jest dwa razy mniejsza niż gęstość materii. We Wszechświecie, który przyśpiesza w takim tempie jak nasz, gęstość ta musiałaby być dwa razy większa od gęstości materii.

Skąd jednak wziąć tyle energii? Zgodnie z mechaniką kwantową próżnia jest wypełniona wirtualnymi cząstkami, które pojawiają się i natychmiast znikają, wykorzystując nieoznaczoność czasu i energii. Wiązano z nimi duże nadzieje, lecz gdy obliczono gęstość energii wypełniającej kwantową próżnię, otrzymano wartość o 55 rzędów wielkości większą od oczekiwanej na podstawie obserwacji supernowych. Gdyby gęstość ciemnej energii była rzeczywiście tak wysoka, to Wszechświat rozdąłby się tak szybko, że galaktyki nigdy by nie powstały.


Nasze kosmiczne przeznaczenie

W FIZYCE TEORETYCZNEJ rozbieżność ta jest wysoce kłopotliwa, ale trzeba też w niej widzieć odkrycie, które otwiera nowe kierunki badań. Nie można oczywiście wykluczyć, że nowe oszacowania gęstości energii próżni dadzą wynik, który pozwoli wyjaśnić zjawisko kosmicznego przyśpieszania. Jednak większość teoretyków sądzi, że obliczenia wykorzystujące nowe zasady symetrii doprowadzą do wniosku, iż gęstość energii próżni jest dokładnie równa zeru (nicość, nawet kwantowa, nie powinna nic ważyć). Jeśli okaże się to prawdą, trzeba będzie szukać innej przyczyny przyśpieszania Wszechświata.

Już teraz teoretycy mają kilka nowych pomysłów na wytłumaczenie tego zjawiska - od dodatkowych, ukrytych wymiarów czasoprzestrzeni aż po nowe pola skalarne, przez niektórych nazywane kwintesencją [patrz: Georgi Dvali "Moce ciemności", strona 48]. Hipotezy te w większości zakładają, że gęstość ciemnej energii nie jest stała, lecz zmniejsza się podczas ekspansji Wszechświata (ale przedstawiono i takie, zgodnie z którymi gęstość ciemnej energii rośnie podczas ekspansji). W najbardziej radykalnej z nich postulowano... całkowity brak ciemnej energii i konieczność modyfikacji ogólnej teorii względności.

W każdym modelu teoretycznym gęstość ciemnej energii zmienia się w inny sposób i dlatego każdy z nich przewiduje inny moment "przełączenia" Wszechświata ze spowalniania na przyśpieszanie. W modelach, w których gęstość ciemnej energii maleje podczas ekspansji Wszechświata, przełączenie następuje wcześniej niż w modelach, w których gęstość ciemnej energii jest stała. Modele oparte na zmodyfikowanej teorii grawitacji także przewidują konkretne momenty przełączenia. Najnowsze obserwacje supernowych wydają się faworyzować hipotezę o stałej gęstości ciemnej energii, ale nie wykluczają możliwości, że zmienia się ona tylko w niewielkim zakresie. Wykluczono jedynie te modele, w których zmiany gęstości ciemnej energii są duże.

Aby zawęzić obszar dopuszczalnych spekulacji teoretycznych, Kosmiczny Teleskop Hubble'a wciąż obserwuje supernowe i gromadzi dane, które pozwolą z większą dokładnością określić moment przełączenia. Na razie jest to jedyny przyrząd, którym można badać wczesne etapy ekspansji Wszechświata, ale kilka grup badawczych pracuje już w tej chwili nad uruchomieniem teleskopów naziemnych, które będą wystarczająco precyzyjne, by wzbogacić naszą wiedzę o własnościach ciemnej energii. Najbardziej ambitnym z planowanych programów badań supernowych jest Joint Dark Energy Mission (JDEM). Został on zaproponowany przez Departament Energii USA, ma korzystać z dwumetrowego szerokokątnego teleskopu orbitalnego, który potrafi wykrywać i obserwować z dużą dokładnością tysiące supernowych typu Ia. "Łowcy supernowych" mają nadzieję, że JDEM rozpocznie pracę na początku następnego dziesięciolecia. Do tego czasu będą musieli polegać na zasłużonym, lecz mało wydajnym Kosmicznym Teleskopie Hubble'a.

Rozwiązanie zagadki przyśpieszania kosmicznej ekspansji pozwoli nam poznać przyszłe losy Wszechświata. Jeśli gęstość ciemnej energii jest stała lub zwiększa się z upływem czasu, to za około 100 mld lat na niebie zostanie tylko kilkaset galaktyk. Reszta będzie zbyt silnie poczerwieniona, by dało się je zaobserwować. Jeśli natomiast gęstość ciemnej energii maleje, to kiedyś znów nastąpi era dominacji materii i kosmiczny horyzont będzie się rozszerzał, odkrywając nowe obszary Wszechświata. Możliwe są również jeszcze bardziej ekstremalne (i zabójcze) scenariusze. Jeżeli gęstość ciemnej energii będzie rosła wystarczająco szybko, to w przyszłości nastąpi era "superprzyśpieszenia", w której kolejno zostaną rozerwane galaktyki, układy planetarne, planety, atomy i jądra atomowe. Możliwe również, że Wszechświat się zapadnie, jeśli gęstość ciemnej energii osiągnie wartość ujemną. Aby się dowiedzieć, co nas czeka, musimy poznać naturę tego tajemniczego składnika kosmosu. ODPYCHAJĄCA GRAWITACJA


W TEORII NEWTONA grawitacja jest zawsze siłą przyciągającą, a jej wielkość zależy wyłącznie od masy oddziałujących obiektów. W teorii Einsteina wielkość ta zależy również od ciśnienia, jakie panuje we wnętrzu oddziałujących obiektów i gęstości zawartej w nich energii: przyśpieszenie grawitacyjne jest proporcjonalne do sumy gęstości energii i potrojonej wartości ciśnienia. Na przykład nasze Słońce jest gorącą gazową kulą o dodatnim ("rozpychającym") ciśnieniu. Ciśnienie zwiększa się ze wzrostem temperatury (czyli ze wzrostem energii wewnętrznej gazu, której miarą jest właśnie temperatura). Przyczynek od ciśnienia ma więc ten sam znak co przyczynek od gęstości energii, dzięki czemu słoneczna grawitacja jest większa od grawitacji chłodnej kuli o masie równej masie Słońca. Ponieważ dominującym źródłem grawitacji jest w tym przypadku materia, różnica ta jest jednak niewielka i w praktyce można ją zaniedbać. Inny przykład: ciśnienie gazu fotonowego jest równe jego gęstości energii podzielonej przez trzy. Grawitacja pewnej ilości takiego gazu jest więc aż dwukrotnie większa od grawitacji równoważnej ilości chłodnej materii.

Ciała elastyczne, na przykład guma, mają ujemne ("ściągające") ciśnienie. Takie samo ciśnienie ma również ciemna energia. Gdy jego bezwzględna wartość jest większa od gęstości energii podzielonej przez trzy, znak we wzorze na przyśpieszenie grawitacyjne zmienia się z dodatniego na ujemny, a grawitacja z przyciągającej na odpychającą. Ciśnienie kwantowej próżni jest równe ujemnej gęstości jej energii, co oznacza, że jej oddziaływanie grawitacyjne jest silnie odpychające. Większość rozpatrywanych form ciemnej energii ma ciśnienie o wartościach pomiędzy -1/3 a -1 razy gęstość energii. Niektóre z tych form wprowadzono, aby wytłumaczyć inflację (gwałtowne przyśpieszenie ekspansji, do jakiego doszło tuż po narodzinach Wszechświata). Wśród innych poszukuje się tej, która mogłaby odpowiadać za przyśpieszenie obserwowane obecnie.



Artykuł:Lopez
Autorzy:Adam G. Riess i Michael S. Turner
Źródło:swiatnauki.pl
  • 0



Użytkownicy przeglądający ten temat: 0

0 użytkowników, 0 gości oraz 0 użytkowników anonimowych