Astronomia pod strzechy – VIII

Położenie pulsara Geminga i B0656+14 na tle gwiazdozbioru Bliźniąt (zodiakalnego, widocznego w Polsce na niebie zimowym).

Na początek chciałbym poruszyć temat z pogranicza astronomii promieni kosmicznych i meteorologii – mianowicie rozbłysków promieniowania gamma powodowanych przez błyskawice. Za badania wzięli się akademicy z Uniwersytetu w Kioto i pomimo trudności finansowych udało im się ustalić szereg faktów.
Mianowicie, skonstruowali oni szereg prostych, pudełkowych detektorów promieniowania gamma i rozlokowali je wzdłuż wybrzeża (jak pamiętamy, Japonia położona jest na wyspach). Wykorzystawszy skąpe fundusze, Japończycy zwrócili się o wsparcie projektu do międzynarodowej społeczności naukowców i… bingo! Rozwinęli swoje badania aby stwierdzić ponad wątpliwość, że w silnych błyskawicach produkowana jest antymateria. Oprócz tego, podzielili oni rozbłyski gamma na krótkie (świecące ułamek sekundy), średnie (trwające około sekundę) oraz długie (z poświatą wysokoenergetycznego promieniowania gasnącą przez około minutę). Te krótkie są związane bezpośrednio z uderzeniem pioruna. Średnie z kolei są reakcją błysku z atomami azotu cząsteczkowego (konkretnie, pozbawieniem ich przez błyskawicę jednego elektronu) natomiast długotrwała poświata pochodzi ze zjawiska rozpadu atomów azotu pozbawionych elektronów. Tworzą się wówczas pozytony które zderzają się z elektronami, anihilując i produkując poświatę promieniowania gamma.

Schemat reakcji chemicznych w błyskawicach powodujących powstawanie antymaterii w trakcie silnych wyładowań atmosferycznych. Źródło – Teruaki Enoto.

Przedstawiciel zespołu japońskich naukowców, prof. Teruaki Enoto, podziękował wszystkim którzy wsparli jego projekt finansowo i stwierdził że jest to modelowy przykład zaangażowania ludzi (tzw. zwykłych obywateli) w badania naukowe. Powraca tutaj debata na temat popularyzacji wyników badań których szczegóły są często dostępne jedynie dla wybranych. Tymczasem badania to nie konkurencja (przynajmniej nie powinny nią być) a dobrodziejstwa z nich płynące winny służyć całej ludzkości.

Wielki pęk atmosferyczny powodowany przez pojedynczą cząstkę promieniowania kosmicznego o ekstremalnie wysokiej energii. Źródło – Pierre Auger Observatory.

Jako drugą nowość chciałbym umieścić tę o pulsarze Geminga. Pulsar ten jest znany z tego, że jest drugim najjaśniejszym na niebie źródłem promieniowania gamma o energii rzędu 100 MeV (milionów elektronowoltów). Zaobserwowano go w 1972 roku nowo wystrzelonym satelitą SAS-2 i po dziś dzień frapuje on astronomów jako źródło impulsów promieniowania na wysokich częstotliwościach, z wyjątkiem radiowej (zatem wizualnych, rentgenowskich i gamma). Leży on w gwiazdozbiorze Bliźniąt (łac. Gemini), pozornie niedaleko od innego “modelowego” pulsara – w mgławicy Krab. Jego wiek datuje się (metodami dynamicznymi) na około 340000 lat, więc jest kilkaset razy od “Kraba” starszy. Jego temperatura powierzchniowa została oszacowana na 560000 stopni Kelwina (czyli mniej więcej tyle samo stopni Celsjusza, gdyż jedne od drugich dzieli 273,16 stopnia). Masa Gemingi jest na skraju granicy Chandrasekhara i wynosi 1,44 masy Słońca. Teleskop XMM-Newton odkrył plamy na powierzchni Gemingi mające temperaturę około miliona stopni i oszacował ich rozmiary na 60 – 1000m.

Zbliżenie na rejon nieba z nadwyżką antycząstek, prawdopodobnie związaną z produkcja jej w pulsarach. Źródło – Miguel Mostafa (Penn State).

Warto pamiętać, że gwiazdy neutronowe sa tworami wielkości średnio dużego miasta (rzędu 30 km średnicy) a ważą więcej niż Słońce. Jest to związane z olbrzymią gęstościa takiego tworu – szacuje się, że łyżeczka do herbaty wypełniona materią neutronową (tak ją nazywamy) ważyłaby mniej więcej tyle ile cały Mur Chiński (czyli miliardy ton). To powoduje, że przy ruchu wirowym tego rodzaju gwiazd (pulsarów) zachodzi szereg egzotycznych zjawisk, między innymi polaryzacja próżni (wskutek silnego pola magnetycznego), produkcja par elektron-pozyton i – jeśli geometria wiązek to umożliwia – także produkcja promieniowania nad tzw. czapami biegunowymi. To promieniowanie przy korzystnym zbiegu okoliczności omiata Ziemię i stanowi – wraz z pulsarem, który je produkuje – jeden z najbardziej stabilnych wzorców czasu we Wszechświecie. To właśnie w układzie podwójnym z pulsarem Hulse i Taylor odkryli pośredni efekt fal grawitacyjnych (za co otrzymali nagrodę Nobla w 1993 r.) i przez kilkadziesiąt lat – aż do detekcji fal grawitacyjnych w detektorach LIGO I VIRGO – był to jedyny eksperymantalny dowód na ich istnienie. Po szczegóły odkrycia pulsarów przez Hewisha i Bell (także uhonorowanego nagrodą Nobla dla tego pierwszego) odsyłam do podręczników astrofizyki, zapewniając że warto się z nimi zapoznać.

Eksperyment HAWC (High Altitude Water Cherenkov Observatory) obejmujący 300 pojemników z wodą nakierowany na wykrywanie promieniowania Czerenkowa powstającego w kolizjach promieni kosmicznych z atmosfera Ziemi i powstawaniem pęków. Żródło – AnaDiBec.

Dla Gemingi i innego jej sąsiada (nie “Kraba” w Byku tylko pulsara PSR B0656+14 w Bliźniętach) stwierdzono nadmiar antycząstek w sąsiadującym z nim rejonów nieba. Twierdzono wpierw, że jest to dowód na istnienie ciemnej materii (co wcale nie jest takie oczywiste) I dowodzi teorii zgodnie z którą niewidzialne, superciężkie cząstki, tzw. WIMPy, powszechnie (jak twierdzono) rekombinują z fotonami i cząstkami np. promieniowania reliktowego. Gdyby tak było, poświata gamma od takich rekombinacji byłaby mniej więcej równomierna. Tak jednak nie jest – promienie gamma wykazują wyraźną nadwyżkę w okolicy położenia na niebie pulsarów Geminga i B0656+14, co dowodzi że produkowane ono jest w wiązkach promieniowania z czap polarnych ww. gwiazd neutronowych – a nie przez jakieś egzotyczne WIMP-y (weakly interacting massive particles). Nie trzeba się zatem odnosić do ciemnej materii żeby wyjaśnić 3-5-krotną nadwyżkę pozytonów w ziemskiej atmosferze (i ponad nią) jaka wykryła sonda PAMELA.

Dipolowy rozkład intensywności promieniowania nadbiegających cząstek promieniowania kosmicznego o wysokich energiach, sugerujący jakieś galaktyczne (nieodległe bardziej niż o miliony parseków) pochodzenie tych promieni. Szczegóły w tekście. Źródło – Pierre Auger Observatory.

I na koniec, coś pokrewnego ale już z dziedziny promieni kosmicznych. Po analizie kilkuletniej pracy detektora promieni kosmicznych Pierre Auger stwierdzono niewielką, 8% nadwyżkę intensywności promieniowania kosmicznego obserwowanego przez ten detektor z pewnego kierunku (w gwiazdozbiorze Wielkiego Psa, tam gdzie Syriusz). To oznacza, że w obserwacjach biorą udział także cząstki przychodzące gdzieś z bliska – gdyż rozkład pozostałych ulega termalizacji wskutek tzw. obcięcia GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin. Efekt ten powoduje, że dla cząstek bardziej energetycznych niż 5×10^19 eV nie możemy ustalić źródła z którego nadchodzą gdyż cząstka – np. proton – reaguje z kosmicznym promieniowaniem tła i traci energię). Czyli nadwyżka raczej jest związana z jakimś bliższym źródłem, np. halo naszej Galaktyki lub gromadą galaktyk. Naładowane cząstki o wyższych energiach oddziałują z kolei z galaktycznym polem magnetycznym co dodatkowo utrudnia skojarzenie ich z jakimś konkretnym źródłem na niebie. Ich pochodzenie pomału się wyjaśnia ale nadal więcej jest zagadek niż rzeczy pewnych, wiadomych i tzw. oczywistych. Na ustawicznym poddawaniu ich w wątpliwość polega zresztą bycie naukowcem.

Marcin Kolonko, PTMA Kraków

Dodaj komentarz

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.