wszechświat
Autor: Przemysław Berg | dodano: 2013-03-26
Kosmiczna strefa cienia

Wszystko, co wokół – postrzegamy. Do tego potrzebne jest jednak światło – tymczasem w kosmosie znacznie więcej jest ciemności i pustki aniżeli światła i materii.

Słynny paradoks ciemnego nieba, sformułowany w XVI w. przez angielskiego astronoma Thomasa Diggesa, a nagłośniony w XIX w. przez Heinricha Olbersa, sprowadza się do prostego – na pozór – pytania: dlaczego właściwie w nocy niebo jest ciemne? Słońce zaszło, ale przecież kosmos, który wydaje się niezmierzony i zawiera nieskończoną liczbę gwiazd oraz galaktyk, powinien świecić także nocą (gdziekolwiek spojrzelibyśmy, powinna być jakaś gwiazda). Gęsty las postrzegamy przecież jako ścianę drzew, chociaż tak naprawdę rosną one w oddaleniu od siebie. Dlaczego zatem nocą widzimy mrok, a nie rozjaśniony w każdym punkcie firmament?

Pytanie wcale nie było proste. Zajmowało się nim wielu wielkich ludzi nauki; poza wspomnianymi Diggesem i Olbersem także takie sławy jak Kepler, Halley, a nawet Kelvin. Długo nikt nie potrafił tej zagadki rozwiązać, ponieważ długo nie potrafiliśmy określić natury, kształtu i wieku kosmosu. Dzisiaj – na szczęście – już wiadomo, że Wszechświat nie istnieje od zawsze, lecz że miał swój początek w Wielkim Wybuchu, niecałe 14 mld lat temu, a ilość jego obserwowanej przez nas materii, choć trudna do oszacowania, jest jednak skończona. Wiemy też, że Wszechświat się rozszerza i że światło – dobiegające nawet z najdalszych skupisk materii – ma skończoną prędkość. Dlatego światła wszystkich gwiazd, mgławic, galaktyk i obłoków nie osiągają konkretnego punktu zawsze w jednym czasie. I dlatego nocą niebo jest ciemne. Ale jest ono takie także z innych powodów. Oto one.

Gdzie wzrok nie sięga

W przeglądzie kosmicznych ciemności zaczynamy od zwykłej materii, a więc tej, z której zbudowany jest stół, stojący na nim komputer, popielniczka i wazon z kwiatami. Chodzi o tzw. materię barionową, czyli tę, która tworzy też nasze ciała; kwarki, protony, neutrony i kilka innych cząstek. Ta sama materia jest budulcem obłoków międzygwiazdowych, planet, komet, planetoid, gwiazd, galaktyk, a nawet galaktycznych gromad i supergromad. Jednak często materia ta nie świeci. Nie można jej więc dostrzec w tradycyjnym rozumieniu tego słowa.

Wszystkie pozasłoneczne planety – których odkryto już ponad 800, ale szacuje się, że jest ich więcej niż gwiazd (tak twierdzą badacze na podstawie danych zebranych przez kosmiczny teleskop Keplera) – to dla nas obiekty praktycznie niewidoczne, ponieważ są zbyt małe, by wejść do puli bytów świecących w skali kosmicznej i rozjaśniać niebo. Świecą, a właściwie tlą się tylko światłem odbitym. Podobnie jest z brązowymi karłami, a więc „nieudanymi” gwiazdami, których też istnieje więcej niż typowych, świecących gwiazd. Brązowe karły to pół planety, pół gwiazdy o masach nieprzekraczających 80 Jowiszów. Nie dochodzi w nich do typowego zapłonu rekcji termojądrowej, w której wodór podlega syntezie i przemianie w cięższy hel, a potem w jeszcze cięższe pierwiastki. W brązowych karłach zachodzi tylko wstępna synteza deuteru, czyli najlżejszego izotopu wodoru, i na tym przemiana pierwiastkowa w nich się kończy. Nie płoną dalej. Emitują jedynie bardzo słabe promieniowanie, głównie w podczerwieni. Świetlnie – pozostają w strefie cienia.

Nie świecą też czarne dziury, osobliwości kosmiczne skupiające niewyobrażalne pokłady materii zagęszczonej siłami grawitacji do zera. Są czarne, ponieważ nic, co więzi w nich grawitacja, nie może wydobyć się na zewnątrz, nawet fotony. Świecą tylko dyski materii pochwyconej w bezpośrednie oddziaływanie czarnych dziur. Najbardziej masywne osobliwości, będące centralnymi czarnymi dziurami większości galaktyk, skupiają największe w kosmosie zasoby materii, równe niekiedy wielu miliardom mas naszego Słońca.

Oprócz tego niewidoczne optycznie pozostają ciemne mgławice, których mnóstwo występuje w kosmosie i które rozpościerają się w galaktykach na odległości setek lat świetlnych. To gigantyczne obłoki pyłu i gazu o bardzo niskiej temperaturze – zaledwie kilku kelwinów. Skupiają większość tzw. materii międzygwiezdnej. Choć powstają w nich gwiazdy, jest ich za mało – a ich blask jest zbyt słaby – by mogły cały ten ośrodek rozświetlić. Ciemne obłoki wykrywa się tylko w zakresie promieniowania radiowego lub mikrofalowego.

Nie świecą dla nas nocą również gwiazdy zdegenerowane, czyli neutronowe, a także białe karły – obiekty pozostałe po śmierci żółtych karłów, a więc gwiazd typu słonecznego – o ile nie tworzą układów podwójnych lub potrójnych ze zwykłymi gwiazdami lub innymi białymi karłami.

Zarówno białe karły, jak i gwiazdy neutronowe składają się z materii tak zagęszczonej, że masa gwiazdy takiej jak Słońce – lub kilka Słońc – mieści się w objętości planety typu ziemskiego lub jeszcze mniejszej (w przypadku gwiazd neutronowych są to średnice kilkunastu kilometrów).

A zatem dużo znajduje się w kosmosie „ciemnej” materii barionowej. To z niej, a także z wspomnianego paradoksu Olbersa, bierze się ciemność nocy. Są jednak jeszcze inne ciemności – o wiele bardziej tajemnicze niż zwykłe nocne niebo nad nami.

Rachunek się nie zgadza

W latach 30. XX w. szwajcarski kosmolog Fritz Zwicky odkrył coś niezwykłego. Obserwował wielkie skupiska galaktyk zwane gromadami. Gdy próbował wyliczać ich masy, wciąż natrafiał na nieprzezwyciężalną przeszkodę – masy materii świecących gromad okazywały się wielokrotnie mniejsze od ich mas grawitacyjnych. Masę gromady można określić, sumując masy wszystkich gwiazd we wszystkich galaktykach gromady. Otrzymamy wówczas tzw. masę świecącą. Ale można też wyliczyć masę grawitacyjną na podstawie rozmiarów gromad oraz prędkości ich galaktyk krążących wokół wspólnego środka ciężkości. Problem polegał na tym, że wartości otrzymane dzięki każdej z tych metod bardzo się różniły. Zwicky wysunął więc hipotezę, w której nadwyżkę masy przypisał nieznanej, dziwnej materii – nie świeci ona, ale oddziałuje z materią widzialną grawitacyjnie.

Jego przypuszczenia potwierdziły się 40 lat później, gdy amerykańska kosmolog – Vera Rubin – badała tzw. krzywe rotacji w galaktykach spiralnych. Zaobserwowała, że na obrzeżach tych galaktyk gwiazdy poruszają się znacznie szybciej, niż wynika to z efektu przyciągania przez materię świecącą galaktyki. Wkrótce teoretycy z Princeton University zaproponowali wyjaśnienie obserwacji Rubin: galaktyki spiralne są zanurzone w wielkich obłokach ciemnej materii. Materii, która działa tylko grawitacyjnie. W żaden inny sposób. Nie wysyła żadnego promieniowania. Czym jest – do dzisiaj nie wiadomo. Dotychczas nie udało się nawet wykryć jej eksperymentalnie; wiadomo tylko, że musi istnieć. Uczeni podejrzewają, że jest zbudowana ze słabo oddziałujących cząstek, których jeszcze nie poznaliśmy. Potem wykryto, że ciemna materia może być wszędzie, nie tylko wokół galaktyk spiralnych.

Tej ciemnej, egzotycznej materii niebarionowej jest w kosmosie znacznie więcej aniżeli świecącej, z której składają się gwiazdy i ludzie. Znajoma, barionowa materia to zaledwie 4% całości Wszechświata. Materii ciemnej istnieje znacznie więcej – aż 24%. Można ujrzeć ślad jej obecności, np. gdy znajduje się na drodze światła gwiazd i galaktyk leżących dalej za nią (zakrzywia wędrujące z nich światło). Występuje także w Drodze Mlecznej. Nasza Galaktyka ma jej zresztą znacznie więcej niż sąsiednia galaktyka Andromedy. Wprawdzie Andromeda zawiera dużo więcej gwiazd (prawie bilion), ale za to Droga Mleczna jest zasobniejsza w ciemną materię. W rezultacie obie galaktyki są masowo porównywalne.

Jednak nie koniec na tym. Skoro mamy 4% materii barionowej, czyli oddziałującej w dobrze znany nam sposób, i 24% tajemniczej materii ciemnej, nasuwa się pytanie, co z resztą? Czym jest pozostałe 72% wszystkiego?

 

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 04/2013 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
05/2020
04/2020
Kalendarium
Maj
27
W 1919 r. amerykański hydroplan Curtiss NC-4 zakończył w Lizbonie pierwszy w historii przelot (z międzylądowaniami) przez Atlantyk.
Warto przeczytać
Co by było, gdyby twój poziom inteligencji okazał się wyższy, niż ci się wydaje? Czy w twojej głowie kryje się geniusz, który tylko czeka, żeby się ujawnić? A może chciałbyś zażyć pigułkę, która zwiększy twój potencjał intelektualny?

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Przemysław Berg | dodano: 2013-03-26
Kosmiczna strefa cienia

Wszystko, co wokół – postrzegamy. Do tego potrzebne jest jednak światło – tymczasem w kosmosie znacznie więcej jest ciemności i pustki aniżeli światła i materii.

Słynny paradoks ciemnego nieba, sformułowany w XVI w. przez angielskiego astronoma Thomasa Diggesa, a nagłośniony w XIX w. przez Heinricha Olbersa, sprowadza się do prostego – na pozór – pytania: dlaczego właściwie w nocy niebo jest ciemne? Słońce zaszło, ale przecież kosmos, który wydaje się niezmierzony i zawiera nieskończoną liczbę gwiazd oraz galaktyk, powinien świecić także nocą (gdziekolwiek spojrzelibyśmy, powinna być jakaś gwiazda). Gęsty las postrzegamy przecież jako ścianę drzew, chociaż tak naprawdę rosną one w oddaleniu od siebie. Dlaczego zatem nocą widzimy mrok, a nie rozjaśniony w każdym punkcie firmament?

Pytanie wcale nie było proste. Zajmowało się nim wielu wielkich ludzi nauki; poza wspomnianymi Diggesem i Olbersem także takie sławy jak Kepler, Halley, a nawet Kelvin. Długo nikt nie potrafił tej zagadki rozwiązać, ponieważ długo nie potrafiliśmy określić natury, kształtu i wieku kosmosu. Dzisiaj – na szczęście – już wiadomo, że Wszechświat nie istnieje od zawsze, lecz że miał swój początek w Wielkim Wybuchu, niecałe 14 mld lat temu, a ilość jego obserwowanej przez nas materii, choć trudna do oszacowania, jest jednak skończona. Wiemy też, że Wszechświat się rozszerza i że światło – dobiegające nawet z najdalszych skupisk materii – ma skończoną prędkość. Dlatego światła wszystkich gwiazd, mgławic, galaktyk i obłoków nie osiągają konkretnego punktu zawsze w jednym czasie. I dlatego nocą niebo jest ciemne. Ale jest ono takie także z innych powodów. Oto one.

Gdzie wzrok nie sięga

W przeglądzie kosmicznych ciemności zaczynamy od zwykłej materii, a więc tej, z której zbudowany jest stół, stojący na nim komputer, popielniczka i wazon z kwiatami. Chodzi o tzw. materię barionową, czyli tę, która tworzy też nasze ciała; kwarki, protony, neutrony i kilka innych cząstek. Ta sama materia jest budulcem obłoków międzygwiazdowych, planet, komet, planetoid, gwiazd, galaktyk, a nawet galaktycznych gromad i supergromad. Jednak często materia ta nie świeci. Nie można jej więc dostrzec w tradycyjnym rozumieniu tego słowa.

Wszystkie pozasłoneczne planety – których odkryto już ponad 800, ale szacuje się, że jest ich więcej niż gwiazd (tak twierdzą badacze na podstawie danych zebranych przez kosmiczny teleskop Keplera) – to dla nas obiekty praktycznie niewidoczne, ponieważ są zbyt małe, by wejść do puli bytów świecących w skali kosmicznej i rozjaśniać niebo. Świecą, a właściwie tlą się tylko światłem odbitym. Podobnie jest z brązowymi karłami, a więc „nieudanymi” gwiazdami, których też istnieje więcej niż typowych, świecących gwiazd. Brązowe karły to pół planety, pół gwiazdy o masach nieprzekraczających 80 Jowiszów. Nie dochodzi w nich do typowego zapłonu rekcji termojądrowej, w której wodór podlega syntezie i przemianie w cięższy hel, a potem w jeszcze cięższe pierwiastki. W brązowych karłach zachodzi tylko wstępna synteza deuteru, czyli najlżejszego izotopu wodoru, i na tym przemiana pierwiastkowa w nich się kończy. Nie płoną dalej. Emitują jedynie bardzo słabe promieniowanie, głównie w podczerwieni. Świetlnie – pozostają w strefie cienia.

Nie świecą też czarne dziury, osobliwości kosmiczne skupiające niewyobrażalne pokłady materii zagęszczonej siłami grawitacji do zera. Są czarne, ponieważ nic, co więzi w nich grawitacja, nie może wydobyć się na zewnątrz, nawet fotony. Świecą tylko dyski materii pochwyconej w bezpośrednie oddziaływanie czarnych dziur. Najbardziej masywne osobliwości, będące centralnymi czarnymi dziurami większości galaktyk, skupiają największe w kosmosie zasoby materii, równe niekiedy wielu miliardom mas naszego Słońca.

Oprócz tego niewidoczne optycznie pozostają ciemne mgławice, których mnóstwo występuje w kosmosie i które rozpościerają się w galaktykach na odległości setek lat świetlnych. To gigantyczne obłoki pyłu i gazu o bardzo niskiej temperaturze – zaledwie kilku kelwinów. Skupiają większość tzw. materii międzygwiezdnej. Choć powstają w nich gwiazdy, jest ich za mało – a ich blask jest zbyt słaby – by mogły cały ten ośrodek rozświetlić. Ciemne obłoki wykrywa się tylko w zakresie promieniowania radiowego lub mikrofalowego.

Nie świecą dla nas nocą również gwiazdy zdegenerowane, czyli neutronowe, a także białe karły – obiekty pozostałe po śmierci żółtych karłów, a więc gwiazd typu słonecznego – o ile nie tworzą układów podwójnych lub potrójnych ze zwykłymi gwiazdami lub innymi białymi karłami.

Zarówno białe karły, jak i gwiazdy neutronowe składają się z materii tak zagęszczonej, że masa gwiazdy takiej jak Słońce – lub kilka Słońc – mieści się w objętości planety typu ziemskiego lub jeszcze mniejszej (w przypadku gwiazd neutronowych są to średnice kilkunastu kilometrów).

A zatem dużo znajduje się w kosmosie „ciemnej” materii barionowej. To z niej, a także z wspomnianego paradoksu Olbersa, bierze się ciemność nocy. Są jednak jeszcze inne ciemności – o wiele bardziej tajemnicze niż zwykłe nocne niebo nad nami.

Rachunek się nie zgadza

W latach 30. XX w. szwajcarski kosmolog Fritz Zwicky odkrył coś niezwykłego. Obserwował wielkie skupiska galaktyk zwane gromadami. Gdy próbował wyliczać ich masy, wciąż natrafiał na nieprzezwyciężalną przeszkodę – masy materii świecących gromad okazywały się wielokrotnie mniejsze od ich mas grawitacyjnych. Masę gromady można określić, sumując masy wszystkich gwiazd we wszystkich galaktykach gromady. Otrzymamy wówczas tzw. masę świecącą. Ale można też wyliczyć masę grawitacyjną na podstawie rozmiarów gromad oraz prędkości ich galaktyk krążących wokół wspólnego środka ciężkości. Problem polegał na tym, że wartości otrzymane dzięki każdej z tych metod bardzo się różniły. Zwicky wysunął więc hipotezę, w której nadwyżkę masy przypisał nieznanej, dziwnej materii – nie świeci ona, ale oddziałuje z materią widzialną grawitacyjnie.

Jego przypuszczenia potwierdziły się 40 lat później, gdy amerykańska kosmolog – Vera Rubin – badała tzw. krzywe rotacji w galaktykach spiralnych. Zaobserwowała, że na obrzeżach tych galaktyk gwiazdy poruszają się znacznie szybciej, niż wynika to z efektu przyciągania przez materię świecącą galaktyki. Wkrótce teoretycy z Princeton University zaproponowali wyjaśnienie obserwacji Rubin: galaktyki spiralne są zanurzone w wielkich obłokach ciemnej materii. Materii, która działa tylko grawitacyjnie. W żaden inny sposób. Nie wysyła żadnego promieniowania. Czym jest – do dzisiaj nie wiadomo. Dotychczas nie udało się nawet wykryć jej eksperymentalnie; wiadomo tylko, że musi istnieć. Uczeni podejrzewają, że jest zbudowana ze słabo oddziałujących cząstek, których jeszcze nie poznaliśmy. Potem wykryto, że ciemna materia może być wszędzie, nie tylko wokół galaktyk spiralnych.

Tej ciemnej, egzotycznej materii niebarionowej jest w kosmosie znacznie więcej aniżeli świecącej, z której składają się gwiazdy i ludzie. Znajoma, barionowa materia to zaledwie 4% całości Wszechświata. Materii ciemnej istnieje znacznie więcej – aż 24%. Można ujrzeć ślad jej obecności, np. gdy znajduje się na drodze światła gwiazd i galaktyk leżących dalej za nią (zakrzywia wędrujące z nich światło). Występuje także w Drodze Mlecznej. Nasza Galaktyka ma jej zresztą znacznie więcej niż sąsiednia galaktyka Andromedy. Wprawdzie Andromeda zawiera dużo więcej gwiazd (prawie bilion), ale za to Droga Mleczna jest zasobniejsza w ciemną materię. W rezultacie obie galaktyki są masowo porównywalne.

Jednak nie koniec na tym. Skoro mamy 4% materii barionowej, czyli oddziałującej w dobrze znany nam sposób, i 24% tajemniczej materii ciemnej, nasuwa się pytanie, co z resztą? Czym jest pozostałe 72% wszystkiego?