Widok na ekstrema Wszechświata
Pracujący w niezbadanym dotąd obszarze widma elektromagnetycznego satelita GLAST pozwoli zaobserwować oddziaływania ciemnej materii i inne słabo poznane procesy
William B. Atwood, Peter F. Michelson i Steven Ritz
Za kilka miesięcy astronomom ukażą się zupełnie nowe obrazy Wszechświata. NASA umieści bowiem na orbicie teleskop GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) przeznaczony do obserwacji w zakresie promieniowania gamma. Umożliwi on zbadanie ekstremalnych środowisk w otoczeniu supermasywnych czarnych dziur i gwiazd neutronowych, skąd docierają do nas olbrzymie ilości wysokoenergetycznych fotonów. Mniej więcej w tym samym czasie w europejskim laboratorium fizyki cząstek CERN pod Genewą rozpocznie pracę Wielki Zderzacz Hadronów (LHC - Large Hadron Collider), który dostarczy niemożliwych wcześniej do uzyskania informacji o elementarnych składnikach przyrody i ich oddziaływaniach. GLAST będzie obserwować procesy badane przez LHC w ich naturalnym środowisku kosmicznym. Tak ekscytujące i rewolucyjne możliwości pojawiają się w nauce niezwykle rzadko.
Promienie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne o najwyższej energii, czyli najkrótszej długości fali. Fotony gamma niosą znacznie więcej energii niż światło widzialne czy promieniowanie rentgenowskie. Część tej energii może się nawet przekształcać w cząstki materii dzięki procesom opisywanym słynnym równaniem Einsteina E = mc².
Niebo oglądane w promieniach gamma w niczym nie przypomina dobrze znanego, spokojnego firmamentu usianego nieruchomymi złotymi punkcikami. To jedna wielka kotłowanina wybuchających gwiazd, supergęstych gwiazd neutronowych z olbrzymimi polami magnetycznymi i supermasywnych czarnych dziur, które wyrzucają materię w kosmos z prędkością niemal równą prędkości światła. Wszystkie te dramatyczne wydarzenia rozgrywają się na tle wysokoenergetycznej poświaty Galaktyki, wzbudzanej przez kolizje szybkich naładowanych cząstek (tzw. promieni kosmicznych) z atomami i cząsteczkami gazu międzygwiazdowego. Fotony gamma mogą również pochodzić z anihilacji cząstek tajemniczej ciemnej materii, które dzięki LHC zostaną wytworzone w warunkach laboratoryjnych.
Możliwość prowadzenia obserwacji astronomicznych w zakresie gamma przewidział nieżyjący już słynny fizyk Philip Morrison (również wieloletni współpracownik Scientific American, jego felietonista i redaktor rubryki recenzji książkowych). W swej przełomowej pracy z 1958 roku zauważył on, że światło widzialne, włącznie ze światłem gwiazd, jest tylko dalekim echem procesów, które zachodzą przy energiach należących do zakresu gamma (są to np. reakcje jądrowe). Fotony gamma niosą bezpośrednią informację o tych procesach, a sama obecność emisji gamma sygnalizuje, że w obserwowanym obiekcie panują ekstremalne warunki fizyczne.
Biegnąc ze źródeł, które niejednokrotnie są od nas odległe o miliardy lat świetlnych, promienie gamma nie napotykają większych przeszkód. Barierą nie do pokonania jest dla nich dopiero ziemska atmosfera. Wysokoenergetyczny foton, który się z nią zderza, przekształca swą energię w pęk cząstek o niższych energiach. Pęki wytwarzane przez promienie gamma o energii większej od 100 GeV, są wykrywane przez specjalnie zaprojektowane obserwatoria naziemne (1 GeV to energia z grubsza odpowiadająca masie spoczynkowej protonu). Do prowadzenia obserwacji w zakresie poniżej 100 GeV potrzebne jest umieszczenie w przestrzeni kosmicznej specjalnych teleskopów.
Pomysł z seminarium
Badanie Wszechświata w zakresie gamma wymaga współpracy astronomów ze specjalistami fizyki cząstek elementarnych. Zbieganie się tych początkowo całkowicie rozłącznych dyscyplin było w ostatnim dwudziestoleciu jedną z najbardziej widocznych tendencji w rozwoju nauk fizycznych [patrz: David Kaiser "Wszechświat i cząstki"; Świat Nauki, lipiec 2007]. Weźmy choćby losy naszej trójki. Atwood i Ritz są z wykształcenia "cząstkowcami", zaś Michelson to astrofizyk i członek zespołu odpowiedzialnego za budowę oraz eksploatację teleskopu EGRET (Energetic Gamma-Ray Experiment Telescope). Przyrząd ten został umieszczony na pokładzie satelity CGRO (Compton Gamma-Ray Observatory), którego misja była ostatnim większym przedsięwzięciem NASA poświęconym obserwacjom promieni gamma.
Najważniejszy instrument GLAST, teleskop LAT (Large Area Telescope), zawdzięcza swoje powstanie wygłoszonemu przez Michelsona wykładowi na seminarium Wydziału Energii SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) w 1991 roku. Podstawy projektu LAT zostały stworzone przez Atwooda podczas późniejszych dyskusji toczonych w zespole astrofizyki cząstek, który powstawał tam wtedy pod kierunkiem Elliotta Blooma. Atwood zaproponował, by w teleskopach gamma wykorzystać specjalnie przystosowane do tego krzemowe detektory cząstek, które pierwotnie miały pracować przy Wielkim Zderzaczu Nadprzewodzącym (SSC - Superconducting Super Collider). Ostatecznie projekt budowy SSC nie został zrealizowany, ale opracowana dlań technologia znalazła zastosowanie w GLAST.
Drugim instrumentem na pokładzie GLAST jest Monitor Wybuchów (Burst Monitor), który ma obserwować niebo w poszukiwaniu błysków gamma. Zbudował go zespół pracujący pod kierunkiem Charlesa Meegana z Marshall Space Flight Center NASA. Warto przypomnieć, że w ramach projektu GLAST współpracują naukowcy nie tylko ze Stanów Zjednoczonych, lecz także z Francji, Niemiec, Włoch, Japonii i Szwecji.
LAT może rejestrować ponad 100 razy więcej fotonów gamma niż EGRET, dzięki czemu w ciągu kilku dni osiągnie taką czułość, na jaką EGRET musiał pracować przez całe lata. Wraz z Monitorem Wybuchów pokrywa prawie 10-krotnie większy zakres energii niż wszystkie instrumenty na pokładzie CGRO (EGRET był tylko jednym z czterech). Jego pole widzenia obejmuje około 20% nieba, jest więc porównywalne z polem widzenia ludzkiego oka (całe niebo może przejrzeć w ciągu trzech godzin, czyli w czasie, w którym dwukrotnie okrąża Ziemię). Dzięki swej wydajności LAT ma duże szanse zlokalizowania i zidentyfikowania odkrytych przez EGRET "przejściowych" źródeł emisji gamma (nazwanych tak dlatego, że nieregularnie uaktywniają się na pewien czas, po czym zapadają w długą "drzemkę").
Przy tak wielkich możliwościach GLAST na pewno znakomicie poprawi wyniki uzyskane przez EGRET (który nie potrafił zidentyfikować dwóch trzecich odkrytych przez siebie źródeł). Zdobędzie też nowe ważne informacje o supermasywnych czarnych dziurach i gwiazdach neutronowych. Naukowcy mają nadzieję, że za jego pomocą uda się przetestować w ekstremalnych warunkach przewidywania Modelu Standardowego cząstek elementarnych, a być może nawet znaleźć ślady zjawisk wykraczających poza ten model. Oto niektóre z tych fascynujących możliwości.
1
Ciemna materia
Od lat trzydziestych astronomowie wiedzą, że Wszechświat zawiera nie tylko to, co mogą dostrzec nasze oczy. Gdyby galaktyki w gromadach galaktyk i gwiazdy w galaktykach poruszały się wyłącznie pod wpływem wzajemnego przyciągania, osiągałyby ściśle określone prędkości, jednoznacznie przewidywane przez newtonowskie prawo powszechnego ciążenia. Ich obserwowane prędkości są jednak znacznie większe, co sugeruje, że na te obiekty działa dodatkowe pole grawitacyjne, wytworzone przez olbrzymie ilości niewidocznej materii (powszechnie nazywanej ciemną). Zdaniem fizyków odpowiedzi na pytanie o skład owej materii mogą się kryć w rozszerzeniach Modelu Standardowego. Najpopularniejsze z tych rozszerzeń odwołuje się do hipotetycznej własności przyrody znanej jako supersymetria, której poszukiwanie jest jednym z zadań LHC [patrz: Gordon Kane "Najdoskonalsza teoria w punkcie zwrotnym"; Świat Nauki, lipiec 2003].
Supersymetryczne cząstki ciemnej materii nie są całkowicie ciemne. Wprawdzie ze zwykłą materią i światłem oddziałują raczej niechętnie, ale - jak się wydaje - mają tę ciekawą cechę, że są swoimi własnymi antycząstkami. Gdy się zderzają, dochodzi do anihilacji, podczas której z energii równoważnej ich masom powstają nowe cząstki i emitowane jest promieniowanie gamma. Sztuka polega na tym, by odróżnić to promieniowanie od podobnej emisji z innych źródeł. Niestety, o ciemnej materii wiemy tak niewiele, że oszacowania jego natężenia i energii są nadzwyczaj niepewne.
W najprostszym przypadku anihilacja prowadzi do powstania dwóch fotonów gamma, których energia odpowiada masie cząstek ciemnej materii (a ta, jak się obecnie sądzi, wynosi około kilkuset gigaelektronowoltów). Proces ten to odpowiednik charakterystycznego promieniowania gamma o energii 511 keV, powstającego w wyniku anihilacji elektronów z ich antycząstkami, pozytonami. Gdy astronomowie wykryją fotony gamma o energii 511 keV, od razu wiedzą, że w ich źródle są wytwarzane pozytony. Jeśli zarejestrują nadmiar fotonów o energiach rzędu setek gigaelektronowoltów, będą wiedzieli, że mają do czynienia z ciemną materią.
Interpretacja takiego sygnału byłaby jednoznaczna, ale szanse na to, że będzie on wystarczająco silny, by go zaobserwować, są niewielkie. Należy się bowiem spodziewać, że większość energii uwolnionej w wyniku anihilacji ciemnej materii "rozlałaby się" po bardzo szerokim zakresie widmowym, nakładając się w dodatku na dużo silniejsze promieniowanie gamma wytwarzane w zderzeniach promieni kosmicznych z gazem międzygwiazdowym. Próba obserwacji sygnału ciemnej materii byłaby więc równoważna próbie dostrzeżenia gwiazd w blasku miejskich świateł. Astronomom może pomóc to, że promieniowanie ciemnej materii najprawdopodobniej ma inne widmo niż promieniowanie międzygwiazdowe, a ponadto powinno osiągać dużą intensywność w centralnych częściach galaktyk.
Obserwacje GLAST będą doskonałym uzupełnieniem eksperymentów w dziedzinie fizyki cząstek. Gdy za pomocą LHC uda się wytworzyć cząstki będące kandydatami na ciemną materię oraz wyznaczyć ich masy i określić, jak silnie oddziałują z cząstkami znanymi już od dawna, pałeczkę przejmie GLAST, dzięki któremu będzie można sprawdzić, jaką rolę odgrywają one we Wszechświecie. (Nowe cząstki najprawdopodobniej będą uciekały z akceleratora zbyt szybko, by fizycy mogli stwierdzić, czy są stabilne; dane z GLAST będą więc miały decydujące znaczenie dla określenia, czy czas ich życia jest wystarczająco długi, by mogły być składnikami ciemnej materii). GLAST posłuży również do prób bezpośredniego wykrycia cząstek ciemnej materii, które przelatują przez Ziemię [patrz: David B. Cline "Polowanie na ciemną materię"; Świat Nauki, kwiecień 2003].
2
Miniaturowe czarne dziury
Dwa teoretyczne filary współczesnej fizyki - szczególna teoria względności i mechanika kwantowa - zostały ponad 50 lat temu powiązane w kwantowej teorii pola. Od tego czasu fizycy próbują połączyć je z ogólną teorią względności, ale końca ich pracy na razie nie widać [patrz: "Graal kwantowej grawitacji", strona 42]. W latach siedemdziesiątych Stephen Hawking i jego współpracownicy z University of Cambridge wykazali, że połączenie grawitacji i fluktuacji kwantowych powoduje niestabilność czarnych dziur. Jej efektem jest emisja cząstek elementarnych, których energia rośnie w miarę "parowania" czarnej dziury (czyli zmniejszania się jej masy). Proces ten postępuje więc coraz szybciej, aż w końcu przeradza się w gwałtowny wybuch [patrz: Bernard J. Carr i Steven B. Giddings "Kwantowe czarne dziury"; Świat Nauki, czerwiec 2005].
Duże dziury parują tak wolno, że nie da się tego zaobserwować. Jeśli jednak we wczesnym Wszechświecie powstały dziury o masie małej planetoidy (około 1012?kg), których czas życia wynosi około 14 mld lat, to powinny wybuchać właśnie teraz. Wielu naszych kolegów teoretyków podchodzi sceptycznie do takiej możliwości, ale nie mogą jej wykluczyć. Być może więc GLAST zaobserwuje wybuchy czarnych dziur, dowodząc tym samym istnienia głębokiego związku między mechaniką kwantową i grawitacją.
Źródło:http://www.swiatnauki.pl/
![;]](https://www.paranormalne.pl/public/style_emoticons/default/smile5.gif)
