Twoja wyszukiwarka

STANISŁAW BAJTLIK
OD PLANET DO RODZĄCYCH SIĘ GALAKTYK
Wiedza i Życie nr 1/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 1/1996

Ubiegłoroczne odkrycia astronomiczneprzybliżają nas do odpowiedzi na niezwykle istotne pytania: Czy istnieją inne systemyplanetarne? Gdzie skrywają się czarnedziury? Jak powstały galaktyki?

Od kiedy Giordano Bruno wysunął w XVI wieku hipotezę, że gwiazdy są innymi słońcami, a Galileusz zobaczył przez lunetę miniaturę układu planetarnego - Jowisz i jego księżyce - zastanawiano się, czy wokół innych gwiazd krążą planety. Według konwencjonalnej teorii, obłok gazu i pyłu, otaczający młodą gwiazdę, z czasem tworzy wirujący wokół niej dysk. Ta konfiguracja jest niestabilna. W dysku powstają zagęszczenia, które przyciągają coraz więcej masy, aż w końcu rodzą się z nich planety. Większość materii to wodór i hel - dwa najlżejsze pierwiastki. Tylko ułamek procenta stanowią cięższe pierwiastki, takie jak tlen, azot, krzem czy żelazo. Ciepło gwiazdy powoduje ucieczkę najlotniejszych składników z planet położonych najbliżej, dlatego są one małe i gęste. W Układzie Słonecznym Merkury, Wenus, Ziemia i Mars są w istocie wielkimi skałami (płynnymi w środku). Część wodoru pozostała na Ziemi dzięki uwięzieniu w ciężkich cząsteczkach chemicznych. Pierwotnego helu, pierwiastka chemicznie obojętnego, na Ziemi nie ma. Niewielkie ilości helu, które spotykamy, pochodzą z radioaktywnych rozpadów cięższych izotopów. Planety położone dalej - Jowisz, Saturn, Uran i Neptun - zachowały lekkie składniki; dlatego też są większe i zbudowane przede wszystkim z gazu.

Bezpośrednim dowodem istnienia planet w pobliżu innych gwiazd byłoby uzyskanie ich obrazów (podobnie jak w przypadku Galileusza i satelitów Jowisza). Nie da się tego zrobić używając istniejących teleskopów. Gwiazdy są tak jasne, że "oślepiają" obserwatora, nie pozwalając dostrzec małych i ciemnych obiektów, jakimi są hipotetyczne planety. Pozostają metody pośrednie.

W październiku 1995 roku Michel Mayor i Didier Queloz z Obserwatorium Astronomicznego w Genewie donieśli o odkryciu planety o masie zbliżonej do masy Jowisza, krążącej wokół gwiazdy nr 51 w konstelacji Pegaza (51 Peg); gwiazda ta znajduje się zaledwie 45 lat świetlnych od Ziemi. Był to wynik trwających 18 miesięcy obserwacji 140 gwiazd podobnych do Słońca.

Jedna z metod, która pozwala astronomom stwierdzić czy wokół gwiazdy krążą planety, polega na obserwacji drobnych przesunięć linii widmowych. Można je przypisać efektowi Dopplera, związanemu z ruchem gwiazdy (od lub ku Ziemi) na skutek przyciągania jej przez planetę

Mayor i Queloz poszukiwali okresowych zmian długości fal linii widmowych w świetle gwiazd. W układzie planetarnym ciała obiegają wspólny środek masy całego układu. Gwiazdy są dużo masywniejsze od planet (Słońce ma około 1000 razy większą masę niż Jowisz - największa planeta Układu Słonecznego). Dlatego też środek masy jest położony bardzo blisko środka gwiazdy. A zatem gwiazda nie tyle krąży, co raczej "kolebie się" nieco wokół tego punktu. To kolebanie powoduje, że fale świetlne ulegają, na przemian, wydłużeniu (linie widmowe przesunięte w stronę czerwieni) - kiedy gwiazda oddala się od obserwatora - i skróceniu (linie przesunięte ku fioletowi) - kiedy gwiazda porusza się w kierunku obserwatora. Jest to znany efekt Dopplera.

Przesunięcia te są bardzo małe. Gwiazda porusza się z prędkością około 159 m/s. Odpowiednia zmiana położenia linii w widmie gwiazdy nie przekracza jednej milionowej długości fali - około 100 razy mniej niż można wykryć za pomocą konwencjonalnych spektrografów. Mayor i Queloz musieli zbudować specjalny układ instrumentalny. Spodziewali się przesunięć z okresem kilku lat (okres orbitalny Jowisza wynosi 12 lat). Byli przygotowani na prowadzenie wieloletnich obserwacji. Ku swemu zdumieniu, zauważyli przesunięcia linii widmowych 51 Peg z okresem 4 dni!

Krótki okres orbitalny oznacza bardzo mały promień orbity planety - dwudziestokrotnie mniejszy od promienia orbity Ziemi. Planeta położona tak blisko gwiazdy powinna być "dobrze wysmażona". Jeśli dziś jest skalistą bryłą, to początkowa ilość materii, z której powstała, musiałaby przynajmniej 100 razy przewyższać jej obecną masę. Ale wówczas z takiego skupiska materii powstałoby coś innego niż planeta: zapewne małomasywna gwiazda lub brązowy karzeł - coś większego od planety lecz mniejszego od gwiazdy.

Odkryty układ stanowi więc zagadkę. Jeśli planeta podobna do Jowisza zachowała lekkie pierwiastki, to trzeba zrozumieć mechanizm pozwalający na to pomimo małej odległości od gwiazdy. Jeśli jest gęsta jak Ziemia, to rewizji wymagają teorie powstawania planet. Być może nie mamy do czynienia z typowym układem planetarnym, powstałym z pozostałości po obłoku protogwiazdowym, ale z resztką po ciasnym układzie podwójnym, w którym materia przepływała od jednej gwiazdy do drugiej. W takim przypadku wyjaśnienia wymagałoby, dlaczego obie gwiazdy nie zlały się ze sobą.

System 51 Peg jest drugim układem planetarnym odkrytym poza Układem Słonecznym. W 1992 roku Aleksander Wolszczan stwierdził istnienie trzech planet, krążących wokół pulsara PSR 1257+12. Pulsary są pozostałościami po wybuchach supernowych - szybko obracającymi się gwiazdami neutronowymi o średnicy kilkunastu kilometrów. Odkrycie układu planetarnego wokół pulsara było niespodzianką. Wyniki obserwacji Mayora i Queloza też wydają się nietypowe. Wytrwałe poszukiwania planet wokół pozostałych 139 gwiazd mogą za kilka lat przynieść dowody istnienia "typowych" systemów.


Model centrum galaktyki NGC 4258, opracowany na podstawie obserwacji radiowych, przeprowadzonych przez zespoły kierowane przez M. Miyoshiego i L. Greenhilla. Wielkość wyznaczonej masy źródła centralnego - około 40 mln mas Słońca - wskazuje jednoznacznie, że tkwi w nim czarna dziura. Wokół niej materia wirująca z prędkością 900 km/s tworzy torus. W obłokach zawierających cząsteczki wody powstają masery. Widmo promieniowania emitowanego przez masery (w spoczynku o długości fali 1.3 cm) jest przedstawione u dołu. Linie w centralnej cześci widma pochodzą z maserowego wzmacniania żrodła centralnego. Linie boczne są wynikiem maserowego wzmacniania promieniowania powstającego w samym torusie. Rotacja obłoków wraz z torusem powoduje przesuwanie się linii bocznych z prawa na lewo

Czarne dziury są jednymi z najbardziej niezwykłych obiektów we Wszechświecie. Ich istnienie przewiduje teoria względności: dziura w przestrzeni i czasie może powstać w wyniku ściśnięcia materii do odpowiedniej gęstości; otacza ją wówczas tak silne pole grawitacyjne, że nawet światło nie może oderwać się od jej powierzchni.

Te obiekty, podobnie jak planety, nie mogą być obserwowane z Ziemi bezpośrednio, gdyż same nie wysyłają światła. Potężne pole grawitacyjne czarnych dziur wywiera jednak wpływ na otaczającą je materię. Przypuszcza się na przykład, że pochłanianie materii przez wirującą czarną dziurę - najwydajniejszy ze znanych sposobów produkowania energii (w którym aż kilka procent masy spoczynkowej materii spadającej na czarną dziurę może zostać zamienione na energię) - jest źródłem ogromnej jasności kwazarów. Procesowi temu towarzyszy najprawdopodobniej wyrzucanie strug materii; tego rodzaju struktury obserwujemy w pobliżu jąder aktywnych galaktyk. Od wielu lat przypuszczano, że w jądrach wielu galaktyk mogą skrywać się czarne dziury o masach równych milionom mas Słońca, choć nie potrafiono tego wykazać w sposób niezbity. Centralne obszary galaktyk zawierają tak wiele gwiazd, gazu i pyłu, że niełatwo sięgnąć obserwacjami dostatecznie blisko środka.

Rok 1995 był bardzo udany dla poszukiwaczy czarnych dziur. W styczniu Makoto Miyoshi wraz z japońsko-amerykańską grupą uczonych oraz zespoł L. Greenhilla z Centrum Astrofizycznego w Cambridge, w stanie Massachusetts, donieśli o odkryciu masera wodnego w jądrze aktywnej galaktyki NGC 4258. Jest to bliska galaktyka spiralna, położona w odległości około 21 mln lat świetlnych, na tyle jasna, że trafiła do najstarszego katalogu mgławic, sporządzonego przez Charlesa Messiera pod koniec XVIII wieku; stąd jej druga nazwa - M 106. Masery, podobnie jak lasery wzmacniają przechodzące przez nie światło, a nawet mogą wzmacniać światło generowane w nich samych. W kosmosie masery tworzą się w gęstych obłokach gazu i pyłu, zawierających cząsteczki wody (i inne). Zazwyczaj są to miejsca powstawania nowych gwiazd lub bogate w cząsteczki atmosfery starych gwiazd.

Używając techniki VLBI (polegającej na jednoczesnym używaniu kilku radioteleskopów znajdujących się na różnych kontynentach, dzięki czemu uzyskuje się możliwość odróżniania żródeł światła położonych bardzo blisko na niebie), oba zespoły, japoński i amerykański, badały własności maserów wodnych w NGC 4258. Okazało się, że znajdują się one bardzo blisko centrum galaktyki. Z ich konfiguracji na niebie i zależności przesunięć linii (znów efekt Dopplera) od położenia wynika, że masery tkwią w cienkim obwarzanku (torusie), obracającym się wokół centrum galaktyki z prędkością sięgającą 900 km/s. Ich duża jasność jest wynikiem maserowego wzmacniania promieniowania wyświecanego przez źródło znajdujące się w środku torusa. Wewnętrzny promień torusa określono na zaledwie 0.3 roku świetlnego, a masę źródła centralnego na około 40 mln mas Słońca. Dzięki temu można powiedzieć, że gęstość materii w centrum NGC 4258 jest najwyższa z wyznaczonych dotąd dla galaktyk. Jedynym możliwym wyjaśnieniem jest obecność czarnej dziury w jądrze NGC 4258.

Obserwacje maserów wodnych w NGC 4258 stanowią najlepszy, ale nie jedyny dowód istnienia masywnych czarnych dziur w jądrach galaktyk. Alvio Renzini z Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w Garching, koło Monachium, i jego współpracownicy ogłosili w listopadzie ub.r. wyniki obserwacji rozbłysków promieniowania ultrafioletowego, których jasność milion razy przewyższa jasność Słońca w jądrze galaktyki eliptycznej NGC 4552. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tych obserwacji jest obecność w centrum galaktyki czarnej dziury o masie sięgającej milionów mas Słońca. Rozbłyski promieniowania ultrafioletowego mogą powstawać podczas "połykania" przez czarną dziurę gwiazd lub obłoków gazu międzygwiazdowego. W wyniku takiego "połykania" energia grawitacyjna gwiazdy (lub obłoku) zostaje zamieniona na promieniowanie ultrafioletowe.

Ale to nie koniec odkryć czarnych dziur w 1995 roku. W czerwcu Y. Tanaka i jego japońscy współpracownicy ogłosili wyniki rentgenowskich obserwacji galaktyki MCG-6-30-15, dokonanych przez japońsko-amerykańskiego satelitę ASCA. Obserwacje spektroskopowe ujawniły linię wzbudzonego żelaza, powstającą w wewnętrznych obszarach dysku materii, który otacza czarną dziurę. Odległość świecącej materii od powierzchni czarnej dziury jest tylko kilka razy większa od jej promienia. Analiza kształtu tej linii widmowej (czyli zależności jasności od długości fali) wykazuje, że materia wirująca wokół czarnej dziury osiąga w tym miejscu prędkości około 100 tys. km/s (1/3 prędkości światła!). Można też doszukać się efektów relatywistycznej dylatacji czasu - spowolnienia zegarów atomowych (w atomach żelaza), wywołanego silnym polem grawitacyjnym czarnej dziury.

Zdjęcie fragmentu nieba w gwiazdozbiorze Herkulesa wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a: widać słabe, niebieskie galaktyki, których jasność wynosi zaledwie 30 wlk. gw.; rozmiary obszaru objętego obserwacjami R. A. Windhorsta wynoszą dziesiątą część średnicy tarczy Księżyca. Ocenia się, że galaktyki te są od nas oddalone o 3-8 mld lat świetlnych, a zatem obserwujemy je w okresie ich młodości. Nieregularne kształty młodych galaktyk świadczą o częstych oddziaływaniach między nimi

W odróżnieniu od gwiazd, które obserwujemy we wszystkich fazach ich ewolucji - od narodzin w gęstych obłokach molekularnych, po śmierć w gwałtownym wybuchu supernowej - szczegóły procesu powstawania galaktyk są wciąż nieznane. Jednym z powodów tego stanu rzeczy był do niedawna, przede wszystkim, brak obserwacji rodzących się galaktyk.

Skończona prędkość światła oznacza, że patrząc w głąb Wszechświata, obserwujemy jednocześnie przeszłość (czyli widzimy galaktyki takimi, jakimi były miliony czy miliardy lat temu). Nie stanowi to jednak ograniczenia, lecz szansę dla kosmologii. Historycy literatury nie mogą zobaczyć Mickiewicza spacerującego bulwarami nad Sekwaną, a paleontolodzy muszą zadowolić się oglądaniem szkieletów dinozaurów. Kosmolodzy mogą zobaczyć rodzące się galaktyki, o ile tylko potrafią dostrzec je dostatecznie daleko od Ziemi. Dotychczas, z powodu ograniczonej mocy naszych teleskopów, oglądaliśmy jedynie galaktyki na tyle bliskie, że nie widzieliśmy efektów ich ewolucji.

Nowe techniki obserwacyjne zmieniły tę sytuację. W październiku ub.r. zespół astronomów z Uniwersytetu Hawajskiego, kierowany przez Lenoxa Cowie, przedstawił wyniki obserwacji galaktyk znacznie odleglejszych niż oglądane dotychczas. Używając największego na świecie teleskopu (Keck), którego lustro ma średnicę 10 m, astronomowie uzyskali widma (czyli rozkład natężeń światła w zależności od długości fali) galaktyk położonych bardzo daleko, czyli z epoki, w której Wszechświat był 2.61 razy mniejszy i prawdopodobnie 4 razy młodszy niż dziś i zapewne liczył sobie około 3.5 - 4 mld lat. Cowie i współpracownicy spróbowali określić tempo powstawania gwiazd w tych młodych galaktykach. Zrobili to, oceniając ilość emitowanego przez nie promieniowania ultrafioletowego. Jest ona tak duża, że każda galaktyka powinna w tej odległej epoce wyprodukować większość gwiazd, widocznych w jasnych (i bliskich) galaktykach dzisiaj. Tak szybkie powstawanie gwiazd jest niezwykłe w dzisiejszym Wszechświecie. Wszystko wskazuje na to, że wreszcie dowiedzieliśmy się, kiedy galaktyki przechodziły jeden z najważniejszych etapów swej ewolucji - tworzenie gwiazd. Działo się to w epoce, gdy Wszechświat był 2 - 3 razy mniejszy niż dziś i 3 - 5 razy młodszy.

Przyrządy astronomiczne są tak różnorodne i dostarczają tak odmiennych danych, że często trudno dokonać syntezy informacji pochodzących z różnych źródeł (na przykład optycznych i radiowych). Kiedy jednak takie połączenie danych staje się możliwe, często prowadzi do bardzo interesujących odkryć. W czerwcu ub.r. Rogier A. Windhorst i jego współpracownicy, używając VLA (zespołu 27 radioteleskopów na pustyni Nowego Meksyku) i Kosmicznego Teleskopu Hubble'a (HST) dokonali przeglądu radiowego i optycznego wybranego fragmentu nieba. Trwające 150 godzin obserwacje VLA pozwoliły uzyskać jedną z najdokładniejszych radiowych map nieba, jakie kiedykolwiek sporządzono. Dziesięciogodzinne obserwacje HST dostarczyły obrazu optycznego tego obszaru. Dzięki temu udało się ponad wszelką wątpliwość ustalić, że słabe, emitujące fale radiowe galaktyki i słabe, niebieskie galaktyki są tymi samymi obiektami.

Stwierdzono, że znajdują się one w fazie tuż po zakończeniu gwałtownego procesu tworzenia gwiazd. Obraz optyczny pozwolił też określić skomplikowane kształty galaktyk, świadczące o częstych oddziaływaniach pomiędzy nimi, być może nawet o zderzeniach. Sugeruje to, że obserwujemy jedną z faz procesu formowania się galaktyk.

W ubiegłym roku dokonano jeszcze wielu ciekawych odkryć. Nie sposób w krótkim przeglądzie wszystkie wyliczyć. Dla przykładu wspomnę jeszcze tylko o odkryciu przez R. Rebolo i jego hiszpańskich kolegów brązowego karła (obiektu o bardzo małej masie, mniejszej niż 8 procent masy Słońca, i temperaturze wynoszącej zaledwie 2300 K) oraz o zidentyfikowaniu w naszej Galaktyce przez kilka zespołów (prowadzących obserwacje w różnych zakresach widma) drugiego "mikrokwazara" - obiektu wyrzucającego strugę materii z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła. Epoka Wielkich Odkryć Astronomicznych trwa.