KOSMICZNE PUSTKOWIA.pdf

Kosmiczne

WszechÊwiat jest niemal zupe∏nie pusty.

Jednak nawet w najmroczniejszych rejonach

mi´dzygalaktycznej otch∏ani astronomowie

potrafià dostrzec coÊ interesujàcego

Evan Scannapieco, Patrick Petitjean i Tom Broadhurst

34 ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2002

pustkowia

JAK KROPLE ROSY NA PAJ¢CZYNIE,

galaktyki formujà si´

wzd∏u˝ w∏ókien rozrzedzonego gazu

rozciàgajàcych si´ w rozleg∏ej

przestrzeni mi´dzygalaktycznej.

Niewykluczone, ˝e historia

WszechÊwiata w znacznej cz´Êci

wyznaczona zosta∏a

przez nieustannà wymian´ materii

pomi´dzy galaktykami i oÊrodkiem

mi´dzygalaktycznym.

W poni˝szej wizji artysta

wykorzysta∏ komputerowà

symulacj´ tych procesów.

Podró˝ z Ziemi poza obr´b Drogi Mlecznej by∏aby wyprawà w krain´

niewyobra˝alnej pustki. Po przekroczeniu granic naszego zacisznego Uk∏a-

du S∏onecznego trafilibyÊmy do obszarów mi´dzygwiazdowych Galaktyki.

To je w∏aÊnie przemierza latami Êwiat∏o najbli˝szych gwiazd,

zanim do nas dotrze. G´stoÊç gazu wynosi tam Êrednio oko-

∏o 1 atomu na centymetr szeÊcienny. Skierujmy si´ jednak

w rejony jeszcze bardziej puste. W miar´ zbli˝ania si´ do naj-

dalszych rubie˝y dysku galaktycznego, gdzie gwiazdy odda-

lone sà od siebie o dziesiàtki, a nast´pnie setki lat Êwietlnych,

g´stoÊç mi´dzygwiazdowego gazu spada stukrotnie. Gdy osta-

tecznie pozostawimy za sobà naszà Galaktyk´, zapuszczajàc

si´ w mrocznà kosmicznà otch∏aƒ, znajdziemy si´ w oÊrodku

tak bardzo rozrzedzonym, ˝e trudno wr´cz nazywaç go gazem

– w jednym centymetrze szeÊciennym znajduje si´ tam Êred-

nio zaledwie 10 –5 atomu.

PrzejÊcie z przestrzeni mi´dzyplanetarnej do mi´dzygalak-

tycznej, jeÊli weêmie si´ pod uwag´ ró˝nic´ ich g´stoÊci, jest

znacznie drastyczniejsze ni˝ przejÊcie pomi´dzy wodà a po-

wietrzem. A u kresu naszej podró˝y, w najdalszych zakamar-

kach przestrzeni, czeka nas coÊ, co na pozór mog∏oby byç no-

wym wzorcem nudy. Nawet astronomom przestrzeƒ

mi´dzygalaktyczna wydawa∏a si´ niegdyÊ ma∏o interesujàca.

Czemu˝ mieliby zawracaç sobie g∏ow´ jakàÊ cieniutkà ato-

mowà biedazupkà, gdy we WszechÊwiecie jest tyle intrygu-

jàcych planet, majestatycznych galaktyk czy te˝ ˝ar∏ocznych

czarnych dziur?

Nastawienie to w ostatnich latach uleg∏o jednak diametral-

nej zmianie. Okaza∏o si´, ˝e oÊrodek mi´dzygalaktyczny nie

jest jedynie mo˝liwym do pomini´cia t∏em dla dziejów Wszech-

Êwiata, lecz arenà, na której rozgrywa si´ kosmiczna ewolu-

cja. Ma on rodowód starszy ni˝ same galaktyki. We wcze-

snych epokach ca∏y WszechÊwiat wype∏nia∏a materia w postaci

goràcego gazu. W miar´ ekspansji gaz ten och∏adza∏ si´, osta-

tecznie skupiajàc si´ w widoczne dziÊ nieprzeliczone rzesze

galaktyk. To, co zosta∏o w przestrzeni pomi´dzy galaktyka-

mi, z czasem uleg∏o jeszcze wi´kszemu rozrzedzeniu.

Wszystko to wiadomo by∏o ju˝ od kilkudziesi´ciu lat. Przez

d∏ugi czas astronomowie uwa˝ali jednak, ˝e w∏aÊciwoÊci ga-

zu mi´dzygalaktycznego nie odgrywajà przy tworzeniu si´

galaktyk ˝adnej roli, gdy˝ procesem tym rzàdzi wy∏àcznie

grawitacja. Panowa∏o przekonanie, ˝e gdy tylko oÊrodek mi´-

dzygalaktyczny och∏odzi∏ si´ ze stanu goràcej, zjonizowanej

plazmy do postaci zimnej mieszaniny neutralnego wodoru

i helu, nie móg∏ ju˝ efektywnie przeciwstawiaç si´ oddzia∏y-

waniom grawitacyjnym. Obszary o podwy˝szonej g´stoÊci za-

cz´∏y Êciàgaç materi´ z bardziej rozrzedzonych obszarów i ca-

∏y ten proces trwa do dnia dzisiejszego. Wed∏ug takiego

scenariusza, g´stoÊç, po∏o˝enie i rozmiary zarówno galaktyk,

jak i wi´kszych struktur zale˝à jedynie od pierwotnego rozk∏a-

du masy. Sàdzono, ˝e nawet gdyby oÊrodek mi´dzygalaktycz-

ny odznacza∏ si´ jakàkolwiek wewn´trznà z∏o˝onoÊcià – a ta-

ka mo˝liwoÊç wi´kszoÊci badaczy wydawa∏a si´ ma∏o

prawdopodobna – nie mia∏oby to ˝adnego wp∏ywu na ko-

smiczne struktury b´dàce w∏aÊciwym przedmiotem naszego

zainteresowania.

A jednak im lepiej astronomowie poznawali w∏asnoÊci te-

go gazu, tym bardziej wyniki ich obserwacji zadawa∏y k∏am

tak prymitywnemu jego pojmowaniu. Okaza∏o si´, ˝e oÊro-

dek mi´dzygalaktyczny przeszed∏ z∏o˝onà ewolucj´, w tym

kilka zasadniczych przemian wewn´trznych, majàcych bez-

poÊredni wp∏yw na procesy formowania struktury we Wszech-

Êwiecie, oraz ˝e ta najbardziej subtelna postaç materii tworzy

rozleg∏à plàtanin´ w∏ókien i Êcian, rozpoÊcierajàcà si´ po-

mi´dzy galaktykami niczym sieç paj´cza.

I tak badania nad oÊrodkiem mi´dzygalaktycznym zacz´∏y

nabieraç rozmachu, a w ciàgu ostatnich dwóch lat byliÊmy

Êwiadkami istnej erupcji aktywnoÊci w tej dziedzinie. Nie∏a-

two jednak zg∏´biaç coÊ, co z trudem daje si´ w ogóle do-

strzec. Niczym wytrawni detektywi astronomowie zbierajà

poszlaki i ˝mudnie próbujà je z∏o˝yç w sensownà ca∏oÊç, aby

odtworzyç histori´ materii gazowej wype∏niajàcej przestrzeƒ

mi´dzygalaktycznà.

Nie widaç lasu spoza drzew

OWE PO Â REDNIE DOWODY pochodzà z badaƒ czworakiego ro-

dzaju: obserwacji kosmicznego promieniowania t∏a, widm

kwazarów, gromad galaktyk oraz z pomiarów pól magnetycz-

nych. Mikrofalowe promieniowanie t∏a daje obraz stanu oÊrod-

ka mi´dzygalaktycznego w momencie jego przemiany ze zjo-

nizowanego w neutralny, czyli oko∏o 300 tys. lat po Wielkim

Wybuchu. Temperatura gazu wynosi∏a wówczas kilka tysi´cy

kelwinów. Zauwa˝alne w rozk∏adzie tego promieniowania

niejednorodnoÊci stanowià empiryczny punkt wyjÊcia dla

wszystkich teoretycznych modeli ewolucji oÊrodka mi´dzy-

galaktycznego.

Drugi rodzaj dowodów poÊrednich wià˝e si´ z kwazarami.

Te najjaÊniejsze ze wszystkich obiektów we WszechÊwiecie,

których êród∏em energii sà m∏ode, supermasywne czarne dziu-

ry, wysy∏ajà w przestrzeƒ mi´dzygalaktycznà wàski snop silne-

go promieniowania, niczym latarnia morska. Materia znajdu-

jàca si´ pomi´dzy nami a danym kwazarem absorbuje Êwiat∏o

o wybranych d∏ugoÊciach fali, pozostawiajàc charakterystycz-

ne ciemne linie w widmie kwazara. Interpretacja tych widm

wymaga szczególnej wnikliwoÊci, gdy˝ zawierajà one linie nie

odpowiadajàce ˝adnej ze znanych substancji. Przyjmuje si´, ˝e

jest to efekt rozszerzania si´ WszechÊwiata, które rozciàgajàc

Êwietlne fale powoduje przesuni´cie linii widmowych wzgl´-

Przeglàd / OÊrodek mi´dzygalaktyczny

n Przestrzeƒ oko∏oziemska, w której odbywajà loty astronauci,

jest wed∏ug ziemskich standardów niemal pró˝nià. A jednak

przestrzenie pomi´dzy galaktykami sà jeszcze bardziej puste

– ich g´stoÊç jest milion razy ni˝sza. KiedyÊ astronomowie

powàtpiewali, ˝e w tak niewyobra˝alnie rzadkim gazie

mo˝e dziaç si´ cokolwiek interesujàcego.

n Wyniki najnowszych obserwacji prowadzà jednak do wniosku,

˝e gaz ten, okreÊlany mianem oÊrodka mi´dzygalaktycznego,

podlega∏ w swych dziejach co najmniej trzem radykalnym

przemianom, które w zasadniczy sposób wp∏yn´∏y na proces

powstawania galaktyk i innych struktur we WszechÊwiecie.

36 ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2002

PIERWOTNY LAS

MI¢DZYGALAKTYCZNY GAZ, pomimo znikomo niskiej g´stoÊci, za-

znacza swojà obecnoÊç, wp∏ywajàc na Êwiat∏o kosmicznych êróde∏ –

przede wszystkim kwazarów, najjaÊniejszych ze znanych obiektów we

WszechÊwiecie. Podobnie jak ró˝owe okulary, zatrzymuje on fale Êwietl-

ne o okreÊlonej d∏ugoÊci, przepuszczajàc inne. W wyniku tego proce-

su w widmie kwazarów powstajà serie linii absorpcyjnych (g∏´bokie

wci´cia). Typowe widmo kwazara zawiera tak wiele tych linii, ˝e sk∏on-

ni do metafor astronomowie nazywajà je „lasem linii Lyman- α ”.

u poczàtku jego drogi

ku nam jest doÊç g∏adkie

( czerwona krzywa ).

Jego maksimum przypada

na d∏ugoÊci fali 122 nm

– jest to linia α

serii Lymana w widmie

atomów wodoru.

mocno „wygryzione”. Widniejà w nim setki linii absorpcyjnych

wodoru i cz´sto linie pochodzàce od ci´˝szych pierwiastków.

W pokazanym poni˝ej widmie kwazara HE 1122-1628 maksimum

emisyjne uleg∏o przesuni´ciu od poczàtkowego po∏o˝enia 122 nm

do 414 nm, co jest miarà jego odleg∏oÊci od nas.

2 Gdy Êwiat∏o zmierza

Linie emisyjne kwazara

ku Ziemi, dwa efekty

wp∏ywajà na jego struktur´

spektralnà – kosmiczna

ekspansja przesuwa jà

w kierunku wi´kszych

d∏ugoÊci fal, a ka˝dy

napotkany ob∏ok wodoru

cz´Êciowo je poch∏ania

( g∏´bokie wci´cia ),

„wygryzajàc” kolejnà

ciemnà lini´ na 122 nm,

która nast´pnie ulega

przesuni´ciu ku czerwieni

wraz z ca∏ym widmem.

Linie absorbcyjne

wodoru

Linie absorbcyjne

ci´˝kich pierwiastków

380

400

420

440

460

480

D∏ugoÊç fali (nanometry)

dem ich normalnych po∏o˝eƒ ku wi´kszym d∏ugoÊciom fal – no-

si to nazw´ przesuni´cia ku czerwieni. Im dalej znajduje si´ da-

ny obiekt, tym bardziej WszechÊwiat rozszerzy∏ si´ od chwili,

gdy Êwiat∏o rozpocz´∏o swà w´drówk´ ku nam, a zatem tym

wi´ksze jego przesuni´cie ku czerwieni.

Pierwszych obserwacji widm kwazarów dokonano w po∏o-

wie lat szeÊçdziesiàtych [patrz: E. Margaret Burbidge i C. Ro-

ger Lynds „The Absorption Lines of Quasi-Stellar Objects”;

Scientific American , grudzieƒ 1970]. Jednak dopiero pod koniec

lat siedemdziesiàtych detektory osiàgn´∏y dok∏adnoÊç pozwa-

lajàcà uzyskiwaç widma wysokiej jakoÊci. Alec Boksenberg,

pracujàcy wówczas w University College London, i Wallace

L.W. Sargent z California Institute of Technology zauwa˝yli,

˝e w ka˝dym widmie wyst´pujà setki linii absorpcyjnych. Na wy-

kresie wyglàdajà one jak leÊna g´stwina – stàd astronomowie

nadali im nazw´ „lasu linii Lyman-α”. OkreÊlenie „Lyman-α” od-

nosi si´ do serii linii neutralnego wodoru. Tak znaczne roz-

mno˝enie linii nale˝àcych do tej serii Êwiadczy, ˝e przestrzeƒ

dzielàcà nas od kwazara wype∏niajà setki ob∏oków gazu, ka˝-

dy w innej odleg∏oÊci, a zatem odpowiadajà im rozmaite war-

toÊci przesuni´cia ku czerwieni [ ilustracja powy˝ej ].

Jak na ironi´, choç obecnoÊç neutralnego wodoru dobrze

wyjaÊnia powstanie obserwowanych linii absorpcyjnych, mo-

˝e on stanowiç zaledwie drobnà cz´Êç materii ob∏oków, któ-

re w wi´kszoÊci sk∏adajà si´ ze zjonizowanego wodoru i helu.

Bierze si´ to stàd, ˝e neutralny gaz absorbuje promieniowa-

nie w pewnym przedziale d∏ugoÊci fali, gdy˝ chaotyczny ruch

termiczny atomów wprowadza dodatkowe przesuni´cia linii

widmowych, w wyniku czego zamiast ostrych linii absorp-

cyjnych otrzymujemy szersze pasma. W 1965 roku James E.

Gunn i Bruce A. Peterson, obaj z Caltechu, wykazali, ˝e jeÊli

tylko wystarczajàco du˝a cz´Êç materii oÊrodka mi´dzyga-

laktycznego jest neutralna – wi´cej ni˝ jedna cz´Êç na milion

– to dochodzi do znacznego poszerzenia linii, wskutek czego

poszczególne pasma nak∏adajà si´ wzajemnie na siebie. Za-

miast lasu oddzielnych linii astronomowie zobaczyliby w wid-

mie rozleg∏à „dolin´”.

W ten sposób sam fakt wyst´powania w widmie kwazarów

lasu linii Lyman-α dowodzi, i˝ zimny, przewa˝nie neutralny

gaz mi´dzygalaktyczny, wymagany przez modele zak∏adajà-

ce powstawanie galaktyk wy∏àcznie pod wp∏ywem grawita-

cji, móg∏ zaistnieç jedynie stosunkowo na krótko. CoÊ musia-

∏o ponownie zjonizowaç gaz, zanim jeszcze powsta∏a wi´kszoÊç

kwazarów. Niedawno dokonano ekscytujàcego odkrycia do-

tyczàcego jednego z najodleglejszych i najstarszych ze zna-

nych kwazarów. Kwazar ten, oznaczony symbolem

SDSSpJ103027.10+052455.0, zosta∏ znaleziony w ramach

Sloan Digital Sky Survey, najdok∏adniejszego z dotychczaso-

wych cyfrowych przeglàdów pe∏nego nieba. W zesz∏ym roku

Robert H. Becker z University of California w Davis wraz ze

wspó∏pracownikami odkry∏ rozleg∏y obszar absorpcji Lyman-α

w jego widmie. Przypuszczalnie jest to pierwszy przypadek za-

obserwowania owej doliny spektralnej przewidywanej przez

Gunna i Petersona. Byç mo˝e zatem spoglàdamy w epok´,

w której powtórna jonizacja oÊrodka mi´dzygalaktycznego

wcià˝ jeszcze trwa∏a.

Widma kwazarów nie tylko mówià nam o g´stoÊci i stopniu

jonizacji oÊrodka mi´dzygalaktycznego, lecz pozwalajà rów-

GRUDZIE¡ 2002 ÂWIAT NAUKI 37

1 Widmo Êwiat∏a

3 Gdy Êwiat∏o dociera wreszcie do Ziemi, jego widmo jest ju˝

JAK DOSTRZEC NIEDOSTRZEGALNE

MI¢DZYGALAKTYCZNY GAZ ma zbyt ma∏à g´stoÊç, aby da∏o si´ go bezpoÊrednio zaobserwowaç. Astronomowie muszà wi´c wejÊç

w rol´ kosmicznych detektywów i ˝mudnie odtwarzaç histori´ gazu na podstawie poÊrednich poszlak czterech zasadniczych rodzajów.

MIKROFALOWEGO

PROMIENIOWANIA T¸A

ukazujà stan oÊrodka

mi´dzygalaktycznego

we wczesnych etapach historii

WszechÊwiata, kiedy by∏

jeszcze stosunkowo g´sty

i jednorodny.

pozwalajà na badanie

ob∏oków gazu mi´dzygalaktycznego

w epokach póêniejszych,

gdy trwa∏o jego skupianie si´

w kosmiczne struktury.

ujawniajà obecnoÊç gazu

mi´dzygalaktycznego zebranego

w wielkich gromadach galaktyk.

Niezwykle silne oddzia∏ywania

grawitacyjne w obr´bie tych gromad

powodujà wzrost temperatury gazu.

MAGNETYCZNEGO

przeprowadzane za pomocà

radioteleskopów wykazujà,

˝e gaz mi´dzygalaktyczny

odznacza si´ wysokim

stopniem magnetyzacji.

Przyczyny tego nie sà

do koƒca wyjaÊnione.

1 OBSERWACJE

2 WIDMA KWAZARÓW

3 OBSERWACJE RENTGENOWSKIE

4 POMIARY POLA

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: