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.

Obłok, w którym powstają
gwiazdy, Orion A, widziany
przez Kosmiczne
Obserwatorium Herschela
należące do ESA.

Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA
/ Herschel / Ph André, D
Polychroni, A Roy, V Könyves,
N Schneider for the Gould Belt
survey Key Programme

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 emitujew1. 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).

Mgławica Bumerang to młoda
mgławica planetarna będąca
najchłodniejszym znanym
nam obiektem we
wszechświecie.

Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA
/ NASA

Europejska Agencja Kosmicznaw2 (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 czerwieniw3.

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.

Obserwatorium Herschela w clean roomie europejskiego kosmodromu w Kourou w Gujanie Francuskiej przed wystrzeleniem w kosmos w 2009 roku
Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA-CNES-Arianespace / Optique Vidéo du CSG
Satelita Planck. W zwierciadle teleskopu widoczne jest odbicie Obserwatorium Herschela.
Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA / Thales

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.
 

Spektrum elektromagnetyczne z oznaczonymi długościami fal, ich częstotliwościami i energiami. Satelita Planck obserwował w zakresie od 0,3 mm do 1cm, a Kosmiczne Obserwatorium Herschela w zakresie od 60 μm do 0,6 mm.
Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA / AOES Medialab
 

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.

Struktura włóknista ośrodka międzygwiazdowego w płaszczyźnie galaktyki, gdzie rodzi się większość gwiazd Drogi Mlecznej.
Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA / PACS & SPIRE Consortium / S Molinari, Hi-GAL Project

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 Kw4.

Satelita Planck stworzył mapę niewielkich różnic temperatury kosmicznego promieniowania tła, która pokazuje zarodki dzisiejszych gwiazd i galaktyk.
Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA / Planck Collaboration
 

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.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Institution

ESA

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