Galaktyki poruszaja sie chaotycznie w obrebie gromady, a ich ucieczce w przestrzen zapobiega tajemnicza ciemna materia, która daje o sobie znac tylko poprzez swa grawitacje. Składniki dojrzałych gromad znajduja sie w stanie globalnej równowagi dynamicznej. Oddziaływania tych składników wywołuja wiele zjawisk, które astronomowie dopiero zaczynaja rozumiec.
Klasyfikacja galaktyk Hubbla.
|
W galaktykach spiralnych jej ramiona maja kształt spirali logarytmicznej,kształt ten wynika z zaburzenia jednorodnie rotujacej masy gwiazd. Podobnie jak gwiazdy, ramiona spiralne równiez rotuja, ale obracaja sie ze stała predkoscia katowa. Oznacza to, ze gwiazdy wchodza i wychodza z ramion spiralnych.Ramiona spiralne mozna rozumiec jako obszary o zwiekszonej gestosci - fale gestosci. Gwiazdy wchodzac w ramiona spiralne zwalniaja, tworzac obszar o zwiekszonej gestosci. Jest to podobne do ”fali” zwalniajacych samochodów wzdłuz autostrady. Ramiona sa widoczne, poniewaz wieksza gestosc ułatwia proces formowania sie gwiazd i powstawania młodych jasnych gwiazd. |
Symulacja czarnej dziury, o
masie 10 słonc widzianej z
odległosci 600 km z Droga
Mleczna w tle.
Dziury scisle tajne. Gdy w koncu lat 60. amerykanskie wojskowe satelity Vela zarejestrowały silne błyski wysokoenergetycznego promie- niowania gamma, dane te utajniono na kilka lat. Nic dziwnego-zadaniem satelitów było wykrywanie błysków pochodzacych z nielegalnie przeprowadzanych wybuchów jadrowych. Gdy udało sie ustalic, ze tajemnicze eksplozje nie dochodza z obszarów Zwiazku Radzieckiego, lecz z kosmosu, do ich analizy zasiedli astronomowie. Wkrótce udało sie im ustalic, ze błyski przeszywaja okolice Ziemi srednio raz na dobe. Skad jednak pochodza? Kazdy błysk pojawiał sie w innym miejscu nieba, a ich dokładna lokalizacje uniemozliwiała bardzo mała rozdzielczosc obserwatoriów promieniowania gamma. Wreszcie w 1997 roku kolejnemu satelicie, BeppoSax, udało sie zaobserwowac stowarzyszona z błyskiem emisje na falach rentgenowskich, a wkrótce pózniej odnaleziono tez towarzyszace mu zródło optyczne - okazała sie nim bardzo odległa galaktyka.
Odległosc od zródła błysku była tak duza, ze wstepne oceny jego jasnosci sugerowały, ze wyswiecił on kilkaset razy wiecej energii niz Słonce emituje w ciagu całego zycia. Te szokujace wielkosci nieco zmalały, kiedy okazało sie, ze energia błysków jest niemal na pewno wysyłana nie tyle równomiernie we wszystkich kierunkach, ile w bardzo waskich strugach. Ciagle jednak szacowana na podstawie kolejnych obserwacji energia wyswiecana przez tajemnicze zródła jest porównywalna z ta, która mozna by uzyskac, anihilujac mase kilkusetkrotnie wieksza od masy Ziemi. Jakie obiekty moga produkowac tak olbrzymie ilosci promieniowania?
Długie i krótkie. Zanim podjeto próby odpowiedzi na to zasadnicze pytanie, badania błysków ujawniły, ze mozna je podzielic na dwie - wydawałoby sie odrebne - kategorie: długie, trwajace powyzej dwóch sekund, oraz krótsze i mniej energetyczne, trwajace czasem zaledwie ich ułamki. Obserwacje macierzystych galaktyk błysków wykazały, ze błyski długie pochodza przede wszystkim z galaktyk, w których wciaz tworza sie nowe gwiazdy, krótkie natomiast czesciej z galaktyk pełnych starych, konczacych zycie gwiazd. Obecnie przypuszczamy, ze długie błyski powstaja podczas wybuchów hipernowych - gwiazd o masie co najmniej 40-krotnie przewyzszajacej mase Słonca.
Hipoteze wybuchu hipernowej, wysunieta poczatkowo przez polskiego astrofizyka Bohdana Paczynskiego pracujacego w Princeton, potwierdza fakt, ze czesci długich błysków towarzyszyły poswiaty pochodzace od poteznych supernowych. Jak sie wydaje, w trakcie wybuchu bardzo szybko wirujacej gigantycznej gwiazdy jej jadro sie zapada, tworzac czarna dziure, a materia z otoczki tworzy wciagany do jej srodka dysk. Czesci materii udaje sie jednak wydostac wzdłuz osi rotacji gwiazd i tworzy ona strugi emitujace promieniowanie gamma. Trudniej przyszło wyjasnic pochodzenie błysków krótkich. Do wstepnego rozwiazania tej zagadki przyczyniły sie obserwacje, które wykazały, ze sa to eksplozje bardziej lokalne - dochodzace ze stosunkowo bliskich galaktyk - i blisko stukrotnie słabsze od błysków długich. Wszystko wskazuje na to, ze podczas błysków krótkich obserwujemy proces zderzenia dwóch gwiazd neutronowych.
Stephen Hawking podjał badania termodynamiki fenomenologicznej czarnych dziur oraz analizy ich własnosci z punktu widzenia teorii informacji. W szczególnosci podjał on trud zdefiniowania entropii czarnej dziury. Okazało sie, ze role te moze spełniac wielkosc powierzchni horyzontu zdarzen. W szczególnosci wielkosc tej powierzchni zawsze rosnie w dowolnym procesie dotyczacym czarnej dziury, co doprowadziło Hawkinga do sformułowania II zasady termodynamiki (entropia nigdy nie maleje) dla czarnych dziur. Jednoczesnie rozwazajac własnosci procesów elektromagnetycznych i kwantowej teorii pola w sasiedztwie horyzontu zdarzen, doszedł on do wniosku, ze powinien istniec pewien proces kwantowy działajacy w nieoczekiwanym kierunku: mozliwe jest „parowanie” czarnej dziury, czyli proces polegajacy na traceniu przez nia masy, pomimo braku mozliwosci utraty materii! Popularne sformułowanie tego faktu głosi, ze powierzchnia czarnej dziury nie jest czarna. Powinna wytwarzac promieniowanie takie, jak ciało doskonale czarne. Popularne wyjasnienie mechanizmu tego procesu polega na powolnym, lecz nieustannym kreowaniu na powierzchni horyzontu zdarzen wirtualnych par czastka - antyczastka pod wpływem pola grawitacyjnego. Z pewnym prawdopodobienstwem moze zajsc proces, w którym jedna z tych czastek spadnie na czarna dziure, druga zas opusci obszar oddziaływania czarnej dziury, unoszac pewna skonczona energie i mase. Czarna dziura o masie Mount Everestu wyparowałaby w ułamku sekundy, wytwarzajac potezny błysk promieniowania gamma. Czarne dziury o masach zblizonych do Słonca potrzebowałyby bardzo duzo czasu, aby oddac w postaci promieniowania Hawkinga pochłonieta wczesniej energie i materie. Scisłe wyjasnienie procesu parowania czarnych dziur nie ma nic wspólnego z opisanym powyzej procesem, i polega na analizie własnosci pól kwantowych w przestrzeni zakrzywionej, przy czym nie da sie w zaden sposób okreslic miejsca zachodzenia zjawiska parowania (powierzchnia horyzontu zdarzen, powierzchnia czarnej dziury itp.). Analiza procesu wykorzystuje subtelne własnosci prózni kwantowej, rozkład modów normalnych pól prózniowych oraz transformacje Bogoliubowa. Jest to efekt globalny, w którym po prostu bilans energetyczny czarnej dziury zmniejsza sie kosztem otaczajacej ja przestrzeni. W szczególnosci nie jest prawda, jakoby za zjawisko parowania czarnych dziur odpowiadało tunelowanie fotonów przez horyzont zdarzen, a takze opis lokalny tego procesu (w konkretnym miejscu przestrzeni). Sa to wszystko uproszczenia, majace słuzyc przedstawieniu publicznie owego procesu, nie zas jego wyjasnieniu. Hipoteza Hawkinga moze zostac potwierdzona dzieki badaniu promieniowania kosmicznego. Istnieje hipoteza, według której rozpedzone czastki elementarne zderzajace sie z atmosfera moga wytwarzac miniaturowe czarne dziury, które natychmiast paruja. Emitowane przez nie promieniowanie ma szanse zostac zaobserwowane, jezeli hipoteza jest prawdziwa.