Kosmiczna Megafauna

Wciąż niewiele wiemy na temat najjaśniejszych obiektów i największych struktur we wszechświecie. Niektóre z nich zdają się podważać podstawowe założenia kosmologii.

26.07.2021

Czyta się kilka minut

Wizja artystyczna kwazaru. / NASA / EAST NEWS
Wizja artystyczna kwazaru. / NASA / EAST NEWS

Czasami do naukowca uśmiecha się los. Czasami uśmiecha się sam wszechświat. W przypadku Alexii Lopez, doktorantki z Uniwersytetu Środkowego Lancashire, szeroki uśmiech kosmosu miał aż 3,3 mld lat świetlnych.

Astronomowie ochrzcili znalezisko „Wielkim Łukiem”. Ale przymiotnik „Wielki” nie do końca oddaje jego ogrom. Zagadkowa struktura złożona z galaktyk ciasno ułożonych w kształcie przypominającym uśmiechnięty emotikon jest tak wielka, że choć znajduje się ponad 9 mld lat świetlnych od nas, to gdyby była widoczna gołym okiem, miałaby rozpiętość dwudziestokrotnie większą od średnicy Księżyca w pełni. – Jej długość to jedna piętnasta odległości od Ziemi do krańca dającego się obserwować wszechświata – tłumaczy „Tygodnikowi” Alexia Lopez. – Jest naprawdę przeogromna.

Tak ogromna, że w zasadzie nie powinna istnieć. Odkrycie Lopez nie wpisuje się bowiem w to, co tradycyjnie zakłada się na temat wszechświata. – Standardowy model kosmologii jest zbudowany na pewnych założeniach. Jedno z nich mówi, że wszechświat jest jednorodny – materia jest w nim rozłożona równo. Na tym założeniu oparliśmy nasz model wszechświata wraz z jego matematycznymi podstawami – tłumaczy badaczka, dodając: – Takie struktury są więc wyzwaniem dla teoretyków.

Jasność bilionów Słońc

Wielki Łuk jest trzy razy większy od największych dopuszczalnych przez standardowy model kosmicznych struktur. Gdyby chodziło tylko o ten jeden łuk, pewnie udałoby się jakoś wybronić dotychczasowe modele. Odkrycie Lopez wpisuje się jednak w całą serię znalezisk, które pokazują, że wszechświat nie do końca wygląda tak, jak zakładaliśmy.


PROBLEMY Z EKSPANSJĄ

SEBASTIAN SZYBKA: Nowe obserwacje nie pasują do tego, co wiemy o kosmosie. Astronomiczna pomyłka czy zapowiedź naukowej rewolucji?


– Jedna taka struktura mogłaby być statystycznym przypadkiem, ale mamy ich coraz więcej – tłumaczy prof. Roger Clowes, promotor Lopez. – W 1991 r. odkryliśmy wspólnie z Louisem Campusano mierzącą 2 mld lat świetlnych Dużą Grupę Kwazarów, która była wówczas największą znaną strukturą we wszechświecie. W 2013 r. odkryliśmy jeszcze większą grupę. Obie znajdują się od nas w tej samej odległości i leżą obok siebie, jednak nie znaleźliśmy żadnego powiązania między nimi. Nikt jeszcze nie zdołał się przyjrzeć wszystkim podobnym strukturom jako całości i sprawdzić, jak mają się do siebie, i czy rzeczywiście rzucają wyzwanie modelowi kosmologicznemu. Na razie traktowane są jak indywidualne ciekawostki.

Jednym z powodów jest to, że pomimo ogromnych rozmiarów podobne struktury są bardzo trudne do odnalezienia. Są po prostu zbyt odległe, a światło tworzących je galaktyk zbyt słabe, by można je wypatrzyć, po prostu celując teleskopem we właściwy wycinek nieba. W tym przypadku pomogły jeszcze bardziej odległe obiekty, które posłużyły za rodzaj kosmicznych latarni morskich – kwazary.

– Ich światło bywa bardzo pomocne. Podświetlają położoną między sobą a nami materię – tłumaczy Lopez.

Same kwazary skrywają przed naukowcami wiele tajemnic. Może się to wydawać zaskakujące, bo trudno we wszechświecie o zjawiska bardziej widowiskowe. Nazwa „kwazar” jest zbitką słów „quasi-stellar radio source”, czyli „quasi-gwiazdowe źródło radiowe”. Gdy w początkach epoki radioastronomii w latach 50. XX w. naukowcy zaczęli odkrywać pierwsze z tych obiektów, przypominały im gwiazdy, ale w rzeczywistości różnica między kwazarem a gwiazdą jest tak wielka, jak między zapaloną zapałką a eksplozją bomby wodorowej. Dziś kwazary zalicza się do tzw. aktywnych jąder galaktyk.

Ponieważ należą do najjaśniejszych obiektów we wszechświecie, astronomowie mogą je obserwować z ogromnych odległości. Badacze z Europejskiego Obserwatorium Południowego w marcu odkryli kwazar P172+18, którego światło wyemitowane zostało 780 mln lat po Wielkim Wybuchu – ok. 13 mld lat temu. Tyle czasu musiało ono podróżować do nas, pokonując trudny do wyobrażenia dystans (także ze względu na to, że wszechświat stale się rozszerza).

Przeciętny kwazar jest 27 bilionów razy jaśniejszy niż nasze Słońce i generuje tysiąckrotnie więcej energii niż wszystkie 200 mld gwiazd w naszej Drodze Mlecznej. Jednocześnie w sercu każdego kwazaru czai się prawdziwy potwór – supermasywna czarna dziura o masie miliona Słońc. Otacza ją dysk akrecyjny, czyli wielka chmura gazu i pyłu. Znajdujące się tam cząstki, uwięzione grawitacją kolosa, zderzają się ze sobą niezliczoną ilość razy, co sprawia, że temperatura dysku rośnie do milionów stopni. – Podobne czarne dziury znajdują się w centrach większości galaktyk, w tym w centrum Drogi Mlecznej – mówi prof. Carolin Villforth, badaczka czarnych dziur z Uniwersytetu Bath. – Nasza czarna dziura jest mało aktywna, ale w przypadku kwazarów do czarnej dziury wpada ogromna ilość materii.

Ewolucja galaktyk

Niektóre supermasywne czarne dziury, jak znajdujący się w centrum naszej Drogi Mlecznej obiekt Sagittarius A*, są stosunkowo ciche. Ale kwazary dosłownie krzyczą w przestrzeni.

– Materia tworząca dysk akrecyjny rozgrzewa się do ogromnych temperatur i emituje mnóstwo promieniowania – tłumaczy prof. Villforth. – Ma ono mnóstwo efektów. Oświetla pobliskie chmury gazu, które także zaczynają pod jego wpływem emitować promieniowanie. Żeby lepiej wytłumaczyć, jak aktywne są te obiekty, trzeba zrozumieć, że masa supermasywnej czarnej dziury, jeśli pominiemy ciemną materię, zazwyczaj stanowi mniej niż 1 proc. masy galaktyki, w której się znajduje. Aktywne jądro galaktyki może emitować sto czy tysiąc razy więcej promieniowania niż wszystkie gwiazdy.

Dlaczego jednak takie zjawiska pojawiają się w jednych, a nie w innych galaktykach? Kluczem do rozwiązania zagadki może być to, że większość kwazarów znajduje się bardzo daleko – obserwujemy ich stan sprzed miliardów lat. Możliwe więc, że kwazar jest po prostu jednym z etapów ewolucji, który przechodzi wiele, jeśli nie większość, galaktyk.

– Żeby powstał kwazar, musimy mieć ogromny dopływ gazu do czarnej dziury. W typowym kwazarze to masa rzędu jednej masy Słońca na rok – opisuje prof. Villforth. – W skalach astronomicznych to może nie brzmi imponująco, ale kwazar istnieje bardzo długo, potrzebuje więc mnóstwa masy. Żeby powstał, coś musi spychać gaz w stronę środka galaktyki, a to nie jest proste, bo w galaktykach wszystko pozostaje w ruchu. Obiekty nie mają tendencji do opadania w stronę ich centrów. Jednym z proponowanych rozwiązań jest to, że kwazary tworzą się w tak zwanych galaktykach spiralnych z poprzeczkami, które jak lejek kierują gaz w stronę ich centrów. Inną ­możliwością jest to, że powstają wskutek zderzeń galaktyk – dodaje Villforth.

Z czasem chmury gazu otaczające czarne dziury mogą stopniowo się przerzedzać, a kwazary przygasać. Można by powiedzieć, że umierają z głodu. Nasza wiedza na temat ewolucji galaktyk nadal jest jednak skromna. Astronomowie wiedzą więcej o Wielkim Wybuchu niż na temat tego, w jaki sposób tworzyły się pierwsze gwiazdy czy czarne dziury. Badanie starożytnych kwazarów może tutaj pomóc. Ekstremalna ilość energii, którą emitują, powinna mieć wpływ na to, w jaki sposób przebiega ewolucja galaktyk. Promieniowanie podgrzewa znajdujący się w galaktykach gaz, ale jego ciśnienie może też wypychać go poza obręb galaktyk. Taka galaktyka nie mogłaby już tworzyć nowych gwiazd.

Jest jednak fundamentalny problem z obiektami otaczającymi aktywne jądra galaktyk. Kwazary są tak jasne, że przyćmiewają całe swoje kosmiczne sąsiedztwo. Badanie otaczających je skupisk gazu i gwiazd przypomina szukanie świetlików latających przy latarni morskiej. Tu astronomom pomaga jednak to, że niektóre kwazary są jeszcze dziwniejsze i jeszcze bardziej tajemnicze od standardowych.

Pierwsza na trop zagadki trafiła w 2014 r. Stephanie LaMassa ­pracująca w Space Telescope Institute w Baltimore. Przeglądając dane z badania Sloan Digital Sky Survey, natrafiła na dwa zdjęcia, które powinny pokazywać ten sam obiekt. Na zdjęciu wykonanym w 2000 r. widać standardowy kwazar oświetlający przestrzeń wielkimi snopami światła. Ale na kolejnym, wykonanym zaledwie dziesięć lat później, po kwazarze nie było śladu. Na zdjęciu była standardowa dziesięciokrotnie bledsza galaktyka. Jeden z najjaśniejszych obiektów we wszechświecie zdawał się po prostu wyłączyć w mgnieniu kosmicznego oka. To powinno być niemożliwe. Kwazary z wiekiem tracą moc, ale proces ten trwa setki tysięcy lat. „Nie ma mowy, aby akrecja mogła zatrzymać się tak szybko” – mówił magazynowi „Quanta” Paul Green z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics: „To nie ma fizycznego sensu”.

Gasnące kwazary

Wszechświat niewiele sobie robi z naszego poczucia absurdu. Wkrótce astronomowie, przeszukując archiwalne dane, odkryli setkę kolejnych „kwazarów o zmiennym wyglądzie”. Niektóre przygasały nie w ciągu dekady, a kilku miesięcy. Inne najpierw gasły, a potem rozpalały się ponownie. Jakie zjawisko może w pół roku wyłączyć najsilniejszy reflektor wszechświata? Tu hipotez jest wiele. Pewników brak. Początkowo LaMassa podejrzewała, że winna jest chmura pyłu, która przeszła między nami a kwazarem i chwilowo zablokowała jego światło, ale modele komputerowe pokazały, że do uzyskania podobnego efektu potrzebny byłby niezwykle złożony układ wielu chmur znajdujących się na linii Ziemia-kwazar jednocześnie. To wydawało się mało prawdopodobne, a proces przesłaniania galaktyki zająłby zdecydowanie dłużej niż dekadę.

Inną hipotezą jest to, że oryginalny, jasny obiekt nie był wcale kwazarem, a jedynie jego sobowtórem. W 2015 r. Andrea Merloni z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej im. Maksa Plancka w Niemczech zasugerowała, że ​mogła to być gwiazda, która przeszła zbyt blisko czarnej dziury i została rozerwana, tworząc jasny rozbłysk. Inni uczeni twierdzili, że rzekome kwazary były w rzeczywistości potężnymi supernowymi (wybuchającymi gwiazdami). Tylko w takim razie, dlaczego niektóre z takich domniemanych sobowtórów wracały potem do kwazarowej jasności?

– Dysk akrecyjny kwazara jest otoczony ogromną strukturą gazu i pyłu przypominającą kształtem obwarzanka – tłumaczy prof. Villforth. – Zazwyczaj widzimy kwazary na jeden z dwóch sposobów. Centralnie, przez dziurę w tym torusie, albo z boku, przesłonięte przez pył. Ta struktura jest tak ogromna, że nie powinna zmieniać się w ludzkiej skali czasu. Jednak te obiekty zachowują się właśnie tak, jakby przechodziły z jednego typu do drugiego. Nie wierzymy, żeby faktycznie dochodziło do reorientacji tej chmury pyłu, bo to po prostu nie ta skala czasu, ale sądzimy, że z jakiegoś powodu dochodzi w nich do ekstremalnego spadku aktywności dysku akrecyjnego. Z ekstremalnych poziomów promieniowania do czegoś, co w zasadzie jest nieaktywne – dodaje badaczka.

Zespół, w skład którego wchodzi prof. Villforth, stworzył nową metodę namierzania takich zmiennych kwazarów. Ich cechy dają astronomom ogromną szansę. Kiedy kwazar z jakiegoś powodu przygasa i przestaje przyćmiewać otoczenie, możliwe staje się oszacowanie, jak jego aktywność wpływa na kształtowanie się galaktyki. Badacze sądzą, że kwazary są kluczem do zrozumienia tego, dlaczego wszechświat jest dziś taki, jaki jest.

– Przyglądając się jedynie bliskim galaktykom, nie dowiemy się, jak przebiegała ewolucja wszechświata – tłumaczy Lopez. – Bardzo ważne jest to, by szukać obiektów jak najdalszych, bo im dalej patrzysz, tym bardziej cofasz się w czasie. Jeśli wszechświat rzeczywiście jest jednorodny, to powinien być jednorodny wszędzie, także w przeszłości. Dlatego studiowanie tych obiektów jest dla nas kluczowe.

Na razie ogranicza nas technika. Prowadzone dziś obserwacje są już na krawędzi możliwości instrumentów, jakimi dysponują astronomowie. Wkrótce mogą jednak dostać do rąk nowe narzędzia, które pomogą wyjaśnić część zagadek wszechświata i zapewne postawić przed nami wiele nowych. Wielokrotnie opóźniany Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, zaprojektowany do studiowania kosmosu w podczerwieni, ma trafić na orbitę jeszcze w tym roku.

Astronomowie liczą na to, że dzięki niemu uda się spojrzeć dalej w mroki kosmicznej przyszłości. I wyjaśnić raz na zawsze, skąd wzięły się gwiazdy, galaktyki – i my sami. ©

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Dziennikarz naukowy, reporter telewizyjny, twórca programu popularnonaukowego „Horyzont zdarzeń”. Współautor (z Agatą Kaźmierską) książki „Strefy cyberwojny”. Stypendysta Fundacji Knighta na MIT, laureat Prix CIRCOM i Halabardy rektora AON. Zdobywca… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 31/2021