Niesforne kwazary
- piątek 16 Lipiec 2010
- Zostaw komentarz
Stwierdzenie, iż światło przemieszcza się zawsze ze stałą, niezmienną prędkością, kwalifikuje się współcześnie do kategorii „truizm pierwszej kategorii”, warto jednak pamiętać o tym, że wbrew pozorom naukowcom względnie późno udało się potwierdzić to podejrzenie, wysunięte po raz pierwszy przez duńskiego astronoma Ole Rømera już w XVII wieku. O znaczeniu tej stałej trudno dyskutować – niejaki Einstein oparł chociażby na tej fundamentalnej stałej gmach Szczególnej Teorii Względności. Istnieją co prawda wśród naukowców i tacy, którzy raz po raz próbują stałość prędkości światła kwestionować, są to jednak sporadyczne przypadki, które przez naukowe autorytety zbywane są machnięciem ręki.
Akceptacja niezmiennej prędkości światła, zupełnie niezależnej od ruchu źródła je emitującego, wprowadza do świata fizyki sporo zamętu i w konsekwencji zmusza nas do pogodzenia się z istnieniem niekiedy mocno nieintuicyjnych zjawisk w rzeczywistości fizycznej, w której dane jest nam istnieć. Jedną z nich jest tzw. dylatacja czasu – zjawisko polegające na tym, że dokonując pomiaru czasu w dwóch układach odniesienia, z których jeden porusza się względem drugiego, nie otrzymamy identycznych wyników. O ile na naszej wygodnej planecie ze względu na jej maleńkość w kosmicznych skalach niełatwo o doświadczenie dylatacji w sposób mierzalny, o tyle astronomowie posiadają tutaj o wiele większe pole manewru – ogromne odległości dzielące obiekty kosmiczne pozwalają testować teorię względności do woli i jak dotąd – o ile mi wiadomo – potwierdzać tylko jej przewidywania z rosnącą dokładnością.
Zastanówmy się przez chwilę, gdzie i w jaki sposób efekt dylatacji czasowej mógłby manifestować się w Kosmosie. Zgodnie z najbardziej prawdopodobną obecnie wersją zdarzeń Wszechświat powstał ok. 13,7 miliardów lat temu w trakcie wielce tajemniczego wydarzenia, określanego jako Wielki Wybuch. Od tego czasu Wszechświat, znów zawierzając twierdzeniom naukowców, stale podlega ekspansji, więcej nawet, ekspansja ta od bliżej nieokreślonego momentu w przeszłości zdaje się przyspieszać. Pisząc o dylatacji czasu znowuż wspomniałem, że decydującym założeniem związanym z tym zjawiskiem jest to, iż jeden z układów odniesienia musi poruszać się względem drugiego. Łącząc te dwa fakty otrzymujemy tym samym najwspanialsze laboratorium eksperymentalne, jakie tylko sobie można wymarzyć – staje się nim cały Wszechświat.
Ekspansja Wszechświata powoduje, że (z kilkoma wyjątkami w lokalnej części Wszechświata) wszystkie galaktyki zdają się oddalać od Drogi Mlecznej, im taka galaktyka bardziej odległa, tym większa jest prędkość, z jaką obiekt ten zdaje się uciekać w dal. Ponieważ światło przemieszcza się, jak pamiętamy, ze stałą prędkością, coś dziwnego zdaje się zachodzić w takich warunkach z nim samym – światło docierające w bezchmurne noce do zwierciadeł teleskopów na naszej planecie ma do pokonania coraz większą odległość a poprzez ekspansję samej przestrzeni fale elektromagnetyczne ulegają wydłużeniu, tzw. przesunięciu ku czerwieni („redshift”). Im większe poczerwienienie światła docierającego z odległego obieku, tym większa jego odległość od Ziemi.
Dylatacja czasu w tym przypadku oznacza jednak coś jeszcze – nie tylko dochodzi do poczerwienienia światła odległych galaktyk, zgodnie z teorią Einsteina bowiem zachodzące w nich zdarzenia muszą „trwać dłużej” w naszych oczach. Nie bez powodu użyłem cudzysłowu – zjawiska te przebiegają w takim samym czasie jak w każdym innym miejscu Wszechświata (zakładając, że przed wieloma miliardami lat przykładowo supernowe wybuchały w taki sam sposób jak obecnie), jednak ze względu na stałą prędkość światła oraz ekspansję Wszechświata ziemski obserwator rejestruje co innego. Eksperymentalnie potwierdzono zjawisko dylatacji czasu we Wszechświecie na podstawie supernowych – naukowcy podejrzewali, że bardzo odległe supernowe musiałyby blednąć zauważalnie wolniej niż supernowe które eksplodowały, załóżmy, w połowie drogi do supernowej odleglejszej. Zależność tą udało się zarejestrować, rzeczywiście wraz z rosnącą odległością supernowe zdają się przechodzić kolejne etapy swej ewolucji odpowiednio wolniej.
Zawsze jednak znajdzie się taki jeden z drugim, kto drąży głębiej i głębiej oraz psuje harmonię w rajskim świecie fizyków. Kimś takim okazał się niedawno niejaki Mike Hawkins, pracujący w Royal Observatory of Edinburgh (Wielka Brytania). Czy to z braku zajęć czy też w ramach najprawdziwszej pasji astronom ten zabrał się za niełatwe zadanie – przeanalizował dane obserwacyjne dotyczące ok. 900 kwazarów, zebrane w ciągu ostatnich 28 lat.
Kwazar to obiekt mimo wszystko ciągle jeszcze tajemniczy – są to najodleglejsze chyba obiekty kosmiczne, jakie jesteśmy w stanie zaobserwować, wszystko to dlatego, że są to źródła promieniowania o ogromnej mocy i jasności całych galaktyk. Jak podpowiada sama nazwa (pochodząca od angielskiego „quasar”, będącego znowuż skrótem od „quasi-stellar radio source”, czyli „pozornego gwiezdnego źródła radiowego”) mamy do czynienia z czymś, co w pewnym sensie przypomina zwykłą gwiazdę. Chwileczkę, powiecie, pojedyncza gwiazda którą widzimy z odległości miliardów lat świetlnych? Oczywiście, niewykonalne to zadanie, niemniej jednak kiedy odkryto pierwsze kwazary, do czego doszło już w XIX wieku, sądzono rzeczywiście, że chodzi o gwiazdy, znajdujące się we wnętrzu naszej Galaktyki. Jak okazało się z czasem, nic bardziej mylnego.
Większość galaktyk, jak uważa się dzisiaj, posiada w swym centrum supermasywną czarną dziurę. W kontekście naszych rozważań najważniejsze jest, że owe monstra zachowują się w sposób bardzo zróżnicowany – czasem, jak w przypadku naszej Drogi Mlecznej, wiemy tylko, że są, bowiem smacznie śpią i ich aktywność jest niemal zerowa, czasem jednak stają się niezwykle aktywne i wówczas stają się centralnym elementem kwazarów właśnie. Jak obecnie przypuszczamy kwazary to hiperaktywne jądra pewnego rodzaju galaktyk, w których centralna czarna dziura dosłownie „wpada w szał” i pożera zachłannie ogromne ilości materii. Materia ta, zmierzając na swej drodze bez powrotu ku czarnej dziurze, zostaje podgrzana do gigantycznych temperatur, co skutkuje znowuż emisją potężnych ilości promieniowania. Wiemy więc, czym z grubsza są kwazary. Biorąc pod uwagę to, co napisałem o supernowych powyżej, wydaje się być logicznym, że podobna zasada związana z dylatacją czasu powinna odnosić się również do kwazarów. I tutaj wspomniany wcześniej Mike Hawkins powiada stanowczo: nie.
Ku zaskoczeniu astronoma przeprowadzona przez niego analiza danych wykazała, że okresowość zachowania kwazarów wydaje się być identyczna w przypadku kwazarów w odległości ok. 6 miliardów lat świetlnych oraz kwazarów niemal dwa razy dalej się znajdujących, bo w odległości 10 miliardów lat świetlnych. Stwierdzenie to jest dość kłopotliwe, bo trudno zaprawdę podać powód, dlaczego kwazary właśnie miałyby być tymi obiektami, które wyłamują się z ram teorii względności.
Sam Hawkins w miarę ostrożnie wysunął kilka propozycji ze swej strony – można podzielić je na bardzo… „odważne” oraz „mniej odważne”. Pierwsza z nich brzmi naprawdę rewolucyjnie: Wszechświat po prostu się nie rozszerza. Mając jednak z jednej strony pojedynczą analizę Hawkinsa, z drugiej zaś niezliczone obserwacje potwierdzające fakt ekspansji, trudno wróżyć temu pomysłowi wielkie powodzenie. Trochę lżejszego kalibru, choć ciągle dość drastyczne, jest stwierdzenie, iż kwazary po prostu nie znajdują się w odległościach takich, na jakie wskazuje ich poczerwienienie.
Sensowniejsze wydaje się w tym kontekście – mimo to ciągle mocno kontrowersyjne – założenie, że tak naprawdę mamy do czynienia ze złudzeniem optycznym: na drodze światła pomiędzy kwazarem a Ziemią znajdować się muszą dość kompaktowe (wielkości gwiazdy?) obiekty, które zniekształcają rejestrowany obraz i „pojaśniają” odległe kwazary. Wydaje się to dość kuriozalne – skoro mowa o setkach kwazarów, badanych przez Hawkinsa, musielibyśmy założyć, że albo niezwykle dziwny przypadek ustawił owe tajemnicze obiekty dokładnie między nami a kwazarami, albo też… obiektów tych jest bez liku.
I w tym właśnie tkwi haczyk – jeśli obiekty te rzeczywiście fałszowałyby obserwacje kwazarów, musiałoby ich być tak dużo, że cała ciemna materia Wszechświata zmagazynowana byłaby właśnie w nich. Najlepszym kandydatem wg Hawkinsa są tutaj tzw. pierwotne czarne dziury, które miały zgodnie z niektórymi teoriami powstawać tuż po Wielkim Wybuchu. Sęk w tym, że większość naukowców niechętnie podchodzi do takiego pomysłu – przeważająca ich ilość wierzy, że ciemna materia to raczej jakieś egzotyczne cząstki, nie czarne dziury.
Przyznam szczerze, że praca Hawkinsa wydała mi się mocno intrygująca – na chwilę obecną nie istnieje żadne sensowne wytłumaczenie dla dokonanego przez niego odkrycia. Nie jestem co prawda wielbicielem „przełomowych” rozwiązań tej zagadki – sądzę, że Wszechświat i tak się rozszerza i kwazary niewiele w tym zmienią – jednak z przyjemnością poczekam na kolejnych badaczy, próbujących wyjasnić tajemnicę.