• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Fizycy: błyski gamma rzucają światło na naturę ciemnej energii

    19.09.2011. 00:19
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Najpotężniejsze kosmiczne eksplozje - błyski gamma - znalazły zastosowanie w nowej metodzie pomiaru największych odległości we wszechświecie, opracowanej przez polskich i włoskich naukowców. Metoda ta może pomóc w wyjaśnieniu, czym jest ciemna energia. Uczeni wciąż się zastanawiają, jaka jest natura ciemnej energii, niedawno odkrytego, dominującego składnika wszechświata. Czy napędzająca ekspansję ciemna energia jest przejawem własności samej czasoprzestrzeni, czy raczej nieznanym nauce polem? Odpowiedź można otrzymać dzięki nowej "miarce", skonstruowanej przez naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) i Uniwersytetu Fryderyka II w Neapolu - poinformowali badacze z FUW w przesłanym PAP komunikacie.

    Do dziś nie wiadomo, czym jest ciemna energia. Na razie obliczenia wskazują jednak, że musi być jej bardzo dużo, aż 20 razy więcej niż masy-energii związanej ze światem dostępnym ludzkim zmysłom.

    Popularne są dwa modele tłumaczące naturę ciemnej energii. Pierwszy zakłada, że ciemna energia to cecha opisana słynną stałą kosmologiczną, wprowadzoną przez Alberta Einsteina. Drugi model przyjmuje, że za przyspieszoną ekspansję odpowiada pewne nieznane jeszcze pole skalarne. "Innymi słowy mamy do wyboru: albo czasoprzestrzeń rozpycha się sama, albo jest rozpychana przez znajdujące się w niej nieznane skalarne pole fizyczne" - zauważa prof. Demiański z FUW.

    Wyboru poprawnego modelu - wyjaśniają naukowcy z FUW - można dokonać badając gęstość ciemnej energii w różnych epokach po Wielkim Wybuchu. Gdyby gęstość była stała, ciemna energia miałaby związek ze stałą kosmologiczną, czyli cechą czasoprzestrzeni. Lecz jeśli wszechświat przyspiesza pod wpływem pola skalarnego, z uwagi na puchnięcie czasoprzestrzeni gęstość ciemnej energii powinna maleć.

    "Tu dotychczas mieliśmy problem. Aby ocenić zmiany gęstości ciemnej energii jak najwcześniej po Wielkim Wybuchu, trzeba umieć mierzyć odległości do bardzo dalekich obiektów. Tak dalekich, że nawet związane z nimi supernowe typu Ia są za słabe do obserwacji" - tłumaczy prof. Demiański.

    Polsko-włoska grupa astrofizyków zaproponowała, aby do pomiaru najdalszych odległości we wszechświecie wykorzystać błyski gamma (Gamma Ray Burst - GRB), najpotężniejsze eksplozje obserwowane obecnie we wszechświecie.

    Analizie poddano tzw. błyski długie, powstające prawdopodobnie podczas zapadania się jądra wielkiej gwiazdy. Proces prowadzi do narodzin czarnej dziury. Emitowane wtedy promieniowanie gamma jest tak intensywne, że udaje się obserwować nawet obiekty, które eksplodowały zaledwie 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

    "Z cech promieniowania emitowanego podczas błysków gamma potrafimy odczytać odległość, w jakiej doszło do eksplozji. Ponieważ część tych wybuchów pochodzi z jednych z najdalszych znanych nam obiektów w kosmosie, po raz pierwszy jesteśmy w stanie oszacować tempo ekspansji czasoprzestrzeni nawet w dość wczesnych epokach po Wielkim Wybuchu" - mówi prof. Marek Demiański. Metodę zastosowano do weryfikacji modeli budowy Wszechświata zawierających ciemną energię.

    Jak podano w komunikacie, podstawowy problem polsko-włoskiego zespołu polegał na oszacowaniu całkowitej energii błysku. W tym celu włoska naukowiec dr Ester Piedipalumbo przeanalizowała bazy z danymi o dotychczasowych eksplozjach gamma. Okazało się, że część wybuchów zdarzyła się w galaktykach, do których odległość można było wyznaczyć innymi metodami. "Skupiliśmy się na takich przypadkach. Znaliśmy odległość do galaktyki, wiedzieliśmy też, ile energii błysku dotarło do Ziemi. Na tej podstawie mogliśmy skalibrować błysk, czyli wyliczyć całkowitą energię eksplozji" - wyjaśnia prof. Demiański.

    Kolejnym krokiem były poszukiwania statystycznych zależności między różnymi cechami promieniowania emitowanego podczas błysku gamma a całkowitą energią wybuchu. Związki te udało się znaleźć. "Nie umiemy podać fizycznego wyjaśnienia, dlaczego niektóre własności błysków gamma są ze sobą powiązane - podkreśla prof. Demiański. - Potrafimy jednak powiedzieć, że jeśli zarejestrowane promieniowanie ma takie a nie inne cechy, to błysk musiał mieć taką a nie inną energię. Dzięki temu możemy używać błysków jako świec standardowych, do pomiaru odległości".

    Zespół naukowców z uniwersytetów w Warszawie i Neapolu przeanalizował dane zgromadzone dotychczas przez astronomów, ale, ponieważ bardzo odległe błyski gamma zdarzają się dość rzadko, istniejący już katalog okazał się zbyt skąpy, by na jego podstawie jednoznacznie rozstrzygnąć, jaki charakter ma ciemna energia.

    "To nieco rozczarowująca wiadomość. Ważny jest jednak fakt, że narzędzie do weryfikowania hipotez o budowie wszechświata jest już w naszych rękach. Teraz pozostaje tylko czekać na kolejne kosmiczne fajerwerki" - podsumowuje prof. Demiański.

    Niedostateczna ilość materiału obserwacyjnego pozostaje głównym problemem w analizie danych dotyczących błysków gamma. Z tego powodu - przypomniano w komunikacie FUW - wiele grup astronomów i astrofizyków łączy wysiłki by jak najszybszej i jak najdokładniej je rejestrować. Jednym z takich przedsięwzięć jest "Pi of the Sky", projekt zrobotyzowanego przeszukiwania dużych obszarów nieba w czasie rzeczywistym, współrealizowany przez Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. 

    PAP - Nauka w Polsce

    lt/ agt/bsz



    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Ciemna energia – w kosmologii jest hipotetyczną formą energii, która wypełnia całą przestrzeń i wywiera na nią ujemne ciśnienie, wywołując rozszerzanie się Wszechświata. Jest to jedno z pojęć wprowadzonych w celu wyjaśnienia przyspieszania ekspansji kosmosu oraz problemu brakującej masy we Wszechświecie. Wyniki badań opublikowane w 2011 wydają się potwierdzać istnienie ciemnej energii. Kwintesencja – hipotetyczna forma ciemnej energii, postulowanej jako czynnik wyjaśniający obserwowane przyspieszanie ekspansji Wszechświata. GRB 080916C – rozbłysk gamma odkryty przez kosmiczne obserwatorium GLAST 16 września 2008. Energia rozbłysku równa się energii ok. 9000 eksplodujących supernowych i była skoncentrowana głównie w dwóch dżetach, które poruszały się z prędkością wynoszącą 99,9999% prędkości światła. Jest to jeden z najpotężniejszych odkrytych dotychczas rozbłysków gamma.

    Energia rozpadu – energia wydzielająca się podczas rozpadu promieniotwórczego będąca częścią energii wiązania jądra. Jest ona unoszona przez produkty rozpadu w postaci energii kinetycznej oraz przez promieniowanie elektromagnetyczne zwane w tym przypadku promieniowaniem gamma. Część tej energii może być przekazana elektronom rozpadającego się atomu, czemu towarzyszy zmiana ich konfiguracji lub jonizacja atomu. Spektrometria promieniowania gamma polega na ilościowym badaniu widma energetycznego promieniowania gamma źródeł, bez względu na pochodzenie - tak ziemskich jak i kosmicznych. Promieniowanie gamma jest najbardziej energetycznym zakresem promieniowania elektromagnetycznego, będąc fizycznie tym samym promieniowaniem co np. promieniowanie rentgenowskie, światło widzialne, podczerwień, nadfiolet czy fale radiowe, różniącym się od tych form wyższą energią fotonów i odpowiadającą jej wyższą częstotliwością oraz mniejszą długością fali. (Z powodu wysokiej energii fotonów gamma są one na ogół liczone indywidualnie, natomiast fotony najniższych energii promieniowania elektromagnetycznego, jak np. fale radiowe są obserwowane jako fale elektromagnetyczne składające się z wielu fotonów o niskiej energii.) Podczas gdy licznik Geigera lub podobne urządzenie określa jedynie częstość zliczeń (tj. liczbę zarejestrowanych - oddziałujących z substancją czynną detektora - kwantów gamma na sekundę), spektrometr promieniowania gamma pozwala również wyznaczyć energie rejestrowanych przez detektor a emitowanych przez źródło fotonów gamma.

    Liniowy współczynnik przenoszenia energii, LET (ang. linear energy transfer) – określa ilość energii promieniowania jonizującego absorbowaną na jednostkowej drodze. Zależy od typu promieniowania. LET jest bardzo wysokie dla promieniowania alfa, którego cząsteczki penetrują tkanki na niewielką głębokość, wchodząc w reakcje z dużą ilością cząsteczek. Odwrotnie, promieniowanie gamma wnikając głębiej, reagują z mniejszą ilością cząsteczek na jednostkę odległości. Cząstki gamma przenosząc swoją energię na dłuższej drodze, powodują znacznie mniej uszkodzeń przypadających na jednostkę objętości tkanki niż promieniowanie alfa, które powoduje znaczne uszkodzenia na mniejszych, powierzchniowych obszarach tkanki. Model Lambda-CDM (Λ-CDM, ang. Lambda-cold dark matter) – jeden z najpowszechniej uznawanych modeli kosmologicznych. Jego nazwa pochodzi od dwóch głównych składników Wszechświata: stałej kosmologicznej (oznaczanej przez Λ) i zimnej ciemnej materii. Model ten wyjaśnia mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), obserwowaną strukturę wielkoskalową oraz przyspieszanie ekspansji Wszechświata.

    Zimna ciemna materia - jeden z rodzajów ciemnej materii. Postulat jej istnienia wynika z udoskonalenia teorii wielkiego wybuchu zawierającej dodatkowe założenia, że większość materii we wszechświecie składa się z materiału, który nie może być obserwowany, bo nie wytwarza promieniowania elektromagnetycznego (skutkiem czego jest ciemna), a cząstki tworzące tę materię poruszają się wolno (stąd jest zimna). Większość kosmologów traktowała zimną materię jako opis, jak wszechświat przeszedł z gładkiego początkowego stanu we wczesnym czasie (jak pokazują badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła) do rozkładu galaktyk i ich gromad, jaki widzimy dziś - wielkoskalowej struktury wszechświata. Promieniowanie gamma – wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 50 keV. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X (rentgenowskiego) opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie – w wyniku zderzeń elektronów z elektronami powłok wewnętrznych lub ich rozpraszaniu w polu jąder atomu. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Promieniowania gamma oznacza się grecką literą γ, analogicznie do korpuskularnego promieniowania alfa (α) i beta (β).

    Odwrotne rozpraszanie Comptona - zderzenie elektronu o wysokiej energii z fotonem o niskiej energii, w wyniku którego elektron przekazuje część swojej energii fotonowi. Zjawisko to znajduje praktyczne zastosowanie przy wytwarzaniu wiązek promieniowania o wysokiej energii lub schładzaniu elektronów. W astrofizyce uważa się je za mechanizm powstawania promieniowania X oraz gamma np. po wybuchach supernowych, wskutek zderzeń wysokoenergetycznych elektronów pochodzących z gwiazdy z fotonami mikrofalowego promieniowania tła.

    Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

    Dodano: 19.09.2011. 00:19  


    Najnowsze