Astronomia pod strzechy X – o karierze pływów w astronomii

Każdy kto słyszał o morzach i oceanach słyszał zapewne że występuje w nich zjawisko pływów – miarowego podnoszenia się i opadania lustra wody wywołane głównie oddziaływaniem Księżyca. Te pływy wynoszą od kilkudziesięciu centymetrów do kilkunastu metrów. To to samo zjawisko dzięki któremu będąc nad morzem dłużej niż godzinę zauważamy, że raz jest ono bliżej plaży i leżących na niej wczasowiczów a raz dalej. Cykl pływów trwa około 12-13 godzin. Najbardziej wydatną ilustracją tego zjawiska są plaże w Bretanii czy Normandii, na czele z groblą prowadzącą do klasztoru Mont-St-Michel. Przy odpływie jest tam całkiem szeroka (na dobre kilkaset metrów) plaża, przypływ likwiduje ją zupełnie pozostawiając nad powierzchnią wody tylko szosę dojazdową.


Fragment pierścieni Saturna w dużym zbliżeniu – widać trajektorie wyróżnione przez dynamikę systemu. Fot. NASA.

Zjawisko to jest spowodowane faktem oddziaływania grawitacyjnego Księżyca – Ziemia jest przez Księżyc (w dużym uproszczeniu) rozciągana tak, jakbyśmy chcieli z piłki do futbolu zrobić piłkę do rugby – dłuższą w jednym kierunku a węższą w kierunkach prostopadłych. Ziemia wydaje się być ciałem sztywnym (co też do końca nie jest prawdą, gdyż jej grunt potrafi unieść się nawet o 20 cm wskutek pływów) ale światowy ocean definitywnie nim nie jest – zachowuje sie jak płyn. Stąd trzeba uważać żeby nie wypłynąć zbyt głęboko w morze – oprócz wiatru przeciwny ruch wody może nam przysporzyć nieco kłopotów w bezpiecznym powrocie na suchy piasek.

Góra i klasztor Saint-Michel nad wezbranymi wodami Oceanu Atlantyckiego niedaleko Kanału La Manche.
Normandia – Francja. Foto Christophe Courteau.

Tym nieco epickim wstępem chciałem przybliżyć zjawisko które w astronomii (a zwłaszcza w teorii grawitacji Newtona a potem także Einsteina) zrobiło furorę. Ta pierwsza teoria wyróżnia zjawisko rezonansu czyli wzmacniania niektórych częstotliwości obiegu planet wokół Słońca, co widać na przykładzie Neptuna i Plutona (pozostających w rezonansie 3:2 tj. na dwa obiegi Plutona przypadają 3 okrążenia Neptuna wokół Słońca) oraz na licznych przykładach planet pozasłonecznych. Odkrycie takiego rezonansu uwiarygodniło teorię o istnieniu planet wokół pulsara – pierwszych jakie odkryto w ogóle – przez prof. Aleksandra Wolszczana, polskiego astronoma od wielu lat związanego z pracownią radioteleskopu w Arecibo (305-metrowego, przez długi czas największego na świecie, póki nie powstał 500-metrowy chiński FAST). Właśnie pływów szukano w obrazie sygnału z pulsara PSR 1257+12 i znalazłszy je – potwierdzono oficjalnie odkrycie pierwszego systemu planet pozasłonecznych.

Co do innego miejsca na pływy – są nim wszelkiego rodzaju naturalne satelity planet (niekoniecznie olbrzymów). Np. o większym księżycu Marsa – Phobosie – wiadomo że gdy opadnie bliżej Marsa (co łatwo stwierdzić, wyznaczając ewolucję jego orbity wokół macierzystej planety), ulegnie rozerwaniu a mechanizmem który to spowiduje będzie – a jakże – oddziaływanie pływowe. W duzym uproszczeniu – gdy Mars zechce zmienić kształt Phobosa z pierwotnego i zrobić z niego piłkę rugby (którą juz częściowo jest, choć z powodu jego genezy a nie oddziaływań pływowych) zamiast futbolowej – Phobos powinien rozlecieć się na kawałki. Czekać na to będzie jednak trzeba jeszcze przynajmniej kilkaset tysięcy – kilka milionów lat.

Phobos, jeden z dwóch karłowatych księżyców Marsa (drugim jest Deimos). Phobos jest odpowiedzialny za „potato annular eclipse” (zaćmienia obrączkowego słońca przez obiekt w kształcie ziemniaka) który był tematem jednych z pierwszych astro-notek w 2015 roku

Natomiast co do pływów u Mistrza Einsteina – znajdujemy je m.in. w obiektach które on przewidział ale nie dożył ich obserwacyjnego wykrycia – czarnych dziurach. Aktualnie obserwujemy (za sprawą coraz lepszych instrumentów) niemal obrzeża czarnych dziur, szacujemy ich rozmiary (tak naprawdę, rozmiary ich tzw. horyzontów zdarzeń) i wiemy, jakie zjawiska mogą one w swoim otoczeniu indukować. Jednym z nich jest powstawanie dysku akrecyjnego wokół nich i pary (na ogół) strug (ang. jetów) które stanowią materię rozpędzoną do prędkości bliskich prędkości światła, c. Jest jeden szkopuł: ta materia musi się skądś brać. Najlepiej z gwiazdy-towarzysza która odpowiednio się zbliży i ulegnie rozerwaniu przez… siły pływowe czarnej dziury, aby następnie zostać rozdzieloną na kawałki i – w mechanizmie którego jeszcze do końca nie rozumiemy – przetworzoną na jet.

Wizja artystyczna i zdjęcie centrum galaktyki Arp 299 z czarną dziurą pożerającą gwiazdę i przekształcającą jej materię w relatywistyczny dżet (jet, strugę). Rys. Sophie Dagnello, NRAO/ASM/NSF, zdjęcie NASA, STS cl. – HST.

Etapem pośrednim tej kaskady procesów jest dysk akrecyjny który zawiera materię krążącą i pomału opadającą na czarną dziurę. To zjawisko rozerwania gwiazdy-towarzysza (bądź gwiazdy-paliwa, jak w przypadku supermasywnych czarnych dziur zalegających w centrach galaktyk podobnych do naszej) ochrzczono mianem TDE (ang. Tidal Disruption Event), czyli pływowego rozerwania np. gwiazdy przez czarną dziurę. Zgodnie z teorią względności Einsteina, materia tej gwiazdy może w dużym procencie anihilować (tak jak w wybuchu jądrowym) i produkować nieprawdopodobne ilości energii – w sam raz, aby podtrzymać wyrzut jetu z rejonów silnika centralnego tego procesu czyli czarnej dziury.

Podział promieni X (Roentgena) na bardziej energetyczne (twarde) i mniej energetyczne (miękkie)
jeśli chodzi o energię niesioną przez pojedynczy foton.

Co się dzieje potem, już się domyślamy – wyrzut relatywistycznego jetu, powstanie szoków i wzmocnienie pola magnetycznego, następnie obniżenie energii jetów umożliwiające dostrzeżenie ich w coraz mniejszych częstotliwościach (radiowo), zaburzenie struktury materii (kompresja) w pobliżu takiej czarnej dziury, wreszcie ostateczne wytracenie impetu i powolne zamieranie promieniowania z tego obiektu… Nasuwa się analogia z supernowymi, ale szacuje się (zgodnie z badaniami zespołów Seppo Mattil’i i Diego Peres-Torres’a z Uniwersytetów w Turku i w Granadzie) że zjawisko TDE jest setki, jeśli nie tysiące, razy rzadsze. I okazało się, że oba zespoły liczące łącznie ponad 30 członków – naukowców obserwaowały to zjawisko od kilkunastu lat a dopiero teraz udało się je wyjaśnić i dokonać twórczej syntezy poglądów.

Klasyfikacja promieni wysokich energii z uwagi na długość fali i częstotliwości fotonu, ze wskazaniem gdzie występują.

W komentarzu do tego odkrycia stwierdzono, że zespoły miały nieprawdopodobne szczęście bo normalnie trzeba by przebadać setki tysięcy galaktyk lub mniejszą ich liczbę ale w dłuższym czasie. Astronomowie po 10 latach pokusili się o interpretację wyników, zgodnie z którą mieli do czynienia z pojaśnieniem związanym z zasileniem dysku akrecyjnego (wystąpieniem tzw. gorącej plamy) wskutek dopływu materii z rozerwanych szczątków gwiazdy-ofiary, przekształceniem części tej materii w jet i obserwacją kolejnego pojaśnienia związanego z wyrzutem tego jetu a następnie – początkiem ewolucji profilu energetycznego tego jetu ku niższym częstotliwościom (czyli zamianą spektrum z “twardego” na “miękkie”). Einstein znów się nie pomylił.

Wyjaśnienie widma miękkiego (soft, na czarno, o niższych energiach) i twardego (hard, na czerwono, z maksimum dla dużych wartości keV – kiloelektronowoltów). Widmo Cygnusa X-1 zebrane przez teleskop Suzoku, Źródło: INSPIRE/HEP.

Takim tworem, który jest także dobrze znany, leży w Układzie Słonecznym i jest – jak się przypuszcza – efektem rozerwania jakiegoś dużego ciała niebieskiego (lub systematycznego rozrywania mniejszych ciał) są poczciwe pierścienie Saturna – jest to rumowisko skał które być może byłyby budulcem jakichś niedoszłych lub już przeszłych księżyców tej planety gdyby nie oddziaływanie Jowisza i jego wielkich księżyców (tzw. galileuszowych). Różnica jest taka, że w systemie Jowisza nie ma żadnej czarnej dziury (a przynajmniej czarnej dziury dużych rozmiarów, tych Hawkingowych nie liczę), stąd nie ma silnika pozwalającego na anihilację materii z satelity – towarzysza. Wszystko jest po Jowiszowemu olbrzymie, piękne i zimne. Pamiętajmy o tym patrząc na ten odległy o około miliard kilometrów zastygły w chłodzie świat przez silną lornetę lub choćby mały teleskop aby – jak Galileusz – “odkryć potrójność najdalszej [wówczas] planety” i złamać jakiś kolejny szyfr w nauce.

Przekrój przez pierścienie Saturna w płaszczyźnie tych pierścieni – widok z sondy (NASA).

Marcin Kolonko
PTMA Kraków

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.