WSZECHŚWIAT W PROMIENIACH GAMMA

 

Wiedza o przyrodzie rozwija się najszybciej ,gdy obserwacje i pomiary przynoszą nowe dane o tym, co jest w przyrodzie, i od czego to coś - zależy.

Astronomia obserwacyjna przez długie wieki była uzależniona od tego, jakie dane o „niebie” przynosi nam promień świetlny ,który kiedyś opuścił Księżyc, Słońce, lub odległe gwiazdy. Metaforycznie mówimy o oknie optycznym, przez które obserwujemy i badamy wszechświat.

 

Teleskopy i lunety aż do XX wieku były bierną aparaturą dostarczającą tylko obrazy obiektów astronomicznych. Oczywiście, z tych obrazów można było odczytać dużo informacji na temat źródeł emitujących to światło, które podległo wzmocnieniu w układach soczewek i zwierciadeł.

 

Połączenie lunet i teleskopów z kliszą fotograficzną i spektrografem, spowodowało jednak prawdziwą lawinę wiedzy o gwiazdach i ich układach, oraz o materii międzygwiezdnej.

W połowie XX wieku chemicy ofiarowali astronomom klisze czułe na podczerwień, nadfiolet i promienie rentgenowskie[promienie X] i okazało się ,że wszechświat niewidzialny dla układu : "przyrząd optyczny + oko", jest także rozległy i interesujący.

 

Następne okna na wszechświat otworzyli fizycy-teoretycy. Jeżeli źródłem energii gwiazd jest reakcja syntezy jąder[np.synteza wodoru w hel],to towarzyszyć jej musi emisja neutrin.

Należy więc zbudować takie detektory neutrin, które jednoznacznie wykryją neutrina o pochodzeniu kosmicznym. I rzeczywiście pod koniec XX wieku powstała astronomia neutrinowa.

 

Wreszcie, specjaliści pracujący przy synchrotronach mieli do czynienia z generacją nie tylko szerokiego spektrum promieniowania X, ale także z generacją kwantów promieniowania gamma przez relatywistyczne elektrony, przyspieszane po torach krzywoliniowych silnymi polami magnetycznymi. Zasugerowali więc astronomom istnienie takiego mechanizmu w kosmosie.

 

Właśnie trzy miesiące temu NASA obchodziła 5 lecie pracy Fermi GST (Gamma-ray Space Telescope),stacji orbitalnej wystrzelonej przy użyciu rakiety Delta II 11 czerwca 2008.

 

Delta II,11 czerwca 2008 r.[foto:wikipedia free]

 

Obecnie Fermi GST znajduje się na kołowej orbicie okołoziemskiej o nachyleniu 25,6°, na wysokości ok. 550 km i wyposażony jest w następujące instrumenty naukowe:

 

 

Ponad 1500 wykrytych obiektów – żródeł promieniowania gamma, klasyfikuje się tak:

 

 

 

 

 

 

 

 

foto:Testowanie GBM [  NASA / MSFC / D.Higginbotham]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Oczywiście,klasyfikacja zawiera pewne elementy wiedzy hipotetycznej ,ale dosyć dobrze osadzonej na materiale obserwacyjnym i pomiarowym.

Najcenniejszą jednak pracę wykonał Fermi GST w dziedzinie rejstracji i pomiarów tzw. błysków promieniowania gamma.

Błyski promieni gamma(gamma-ray-bursts) zaobserwowano już w 1973 roku ,ale systematyczne badania prowadzone od kilkunastu lat odsłaniają bardzo zagadkowe własności tych kwantów gamma i potęgują tajemniczość zjawiska.

 

Promieniowanie gamma nadbiegają izotropowo ze wszystkich miejsc wszechświata. Ich emisja ma charakter punktowego zjawiska wybuchowego o czasie trwania od kilku sekund do kilkudziesięciu minut i charakteryzują się olbrzymimi energiami, a ich źródła mogą występować na olbrzymich odległościach, rzędu miliardów lat światła ( niedawno odkryte źródło GRB 090429B , jest obecnie najbardziej odległym ze znanych obiektów we wszechświecie).

 

 

 

 

foto:wikipedia free

 

27 kwietnia bieżącego roku, Fermi GST zarejestrował najsilniejszy rozbłysk gamma w całym trzydziestoletnim okresie badań tego promieniowania, oznaczony w katalogu GRB 130427A.

Źródło było bliskie ,bo w odległości 3,7 miliarda lata świetlnych,a energia kwantów gamma zarejestrowanych przez LAT wynosiła 95 GeV ,co odpowiada całkowitej mocy żródła rzędu rzędu 10^46 W !Czas emisji ,łącznie z poświatą wynosił 20 godzin !

 

Prawdopodobny model mechanizmu powstawania promieni gamma podczas kolapsu grawitacyjnego czarnej dziury

 

Powyższe dane sugerują ,iż mieliśmy prawdopodobnie do czynienia z mechanizmem kolapsu grawitacyjnego masywnej gwiazdy ,lub czarnej dziury podczas którego następuje ekspansja zewnętrznych warstw materii [cząstek elementarjnych elektrycznie naładowanych] z prędkościami prawie równymi prędkości c i kolizje tych cząstek z pyłem międzygwiezdnymi powodowały generowanie syper-energetycznych promieni gamma.

 

Fascynujące tajemnice wszechświata w promieniach gamma, od dwóch lat wzmagają napięcie poznawcze astronomów za sprawą odkrycia dziwnej struktury okolic centralnych naszej Galaktyki,czyli Drogi Mlecznej.

 

Obszary jaskrawoczerwone ,miejsca intensywnej emisji promieniowania gamma [NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration ]

 

Obserwacje i pomiary intensywności promieni gamma [2,3]nadbiegających z okolic centralnych Drogi Mlecznej doprowadziły do odkrycia ,że źródła tych promieni zajmują przestrzeń o zagadkowej symetrii.

Są to dwa bąble/pęcherzyki przestrzeni o średnicach ok.250000 lat świetlnych, [dużych średnicach ,gdyż płaski przekrój tych pęcherzyków jest polem powierzchni elipsy] stykające się ze sobą w jądrze Drogi Mlecznej.

W tych bąblach jest bardzo duża gęstość promieni gamma, a ich kontury emitują promieniowanie rentgenowskie.

 

Geometria dwóch bąbli przestrzeni w centralnej części Galaktyki

 

Geometria przestrzeni cemtralnych obszarów Galaktyki skąd nadbiega do nas promieniowanie gamma ,może być wyjaśniona osobliwą geometrią pola magnetycznego Galaktyki jako całości.Istnienie takiego pola,globalnego, związanego z Galaktyką dotychczas nie potwierdzono doświadczalnie.Tak jak stwierdzamy [ i mierzymy jego indukcję] istnienie pola magnetycznego gwiazd i niektórych planet Układu Słonecznego.

Badanie promieniowania gamma nadbiegającego z tych dwóch bąbli, może dostarczyć danych do opracowania modelu pola magnetycznego Galaktyki,przy założeniu mechanizmu synchrotonowego generacji tego promieniowania.

Po obserwacyjnym i pomiarowym stwierdzeniu jego obecności,otrzymalibyśmy podstawy do przesunięcia na plan drufi grawitacji, jako czynnika stwarzającego gwiazdy.

 

Bowiem istnieją sensowne modele powstawania plazmoidów z cząstek elementarnych naładowanych, poruszających się w polach magnetycznych niejednorodnych i o osobliwej geometrii. W procesie formowania się gwiazdy z materii plazmoidalnej , pierwszą rolę przejmowałaby grawitacja ,ale ruch wirowy pojawiałby się jako konsekwencja siły Lorentza.

Ruchy turbulentne w plazmie tworzącej warstwy zewnętrzne powstałej gwiazdy mogą prowadzić do wyładowań elektrycznych o charakterze wybuchowym, z jednoczesną emisją promieni gamma.

 

Całkiem niedawno sondy kosmiczne potwierdziły emisję promieni gamma z obszarów trzeciego pasa van Allena Ziemi ! Ziemia jako źródło kosmiczne promieniowania gamma ! Badania pokażą czy to jest promieniowanie synchrotonowe relatywistycznych elektronów w pasach radiacyjnych Ziemi ,czy też jego źródłem są globalne błyskawice w jonosferze.

 

Coraz wyraźniej widać ,że wszechświat dostępny naszemu poznaniu jest organizowany bardziej przez pola magnetyczne i elektryczne , aniżeli przez pola grawitacyjne.

 

Drugą ,równie wielką tajemnicą odsłoniętą przez badania błysków promieniowania gamma jest pochodzenie ich wielkich energii.Jeżeli lokalnie,w pewnych obszarach czasoprzestrzeni występują energie rzędu TeV ,to jednocześnie w tych obszarach powinna być wielka krzywizna przestrzeni[tak utrzymuje OTW].

Dynamika tej krzywizny, to fale grawitacyjne,wobec tego detektory fal grawitacyjnych powinny być sprzężone z detektorami wysokoenergetycznych promieni gamma.

 

Jednak budowa detektorów fal grawitacyjnych cierpi na uwiąd wyobraźni ich projektantów i twórców - wszystkie dotychczasowe projekty noszą piętno elephantiasis, zarówno co do rozmiarów,instalacji, jak i nakładów finansowych.

　

Literatura

[1]M.Ackermann and all., Fermi-LAT Observations of the Gamma-Ray Burst GRB 130427A,DOI:10.1126/science.124235321 November 2013

[2] Meng Su, T. R. Slatyer, D. P. Finkbeiner, Giant Gamma-ray Bubbles from Fermi-LAT: AGN Activity or Bipolar Galactic Wind?, Astrophysics Journal, 724, 1044,2010 arXiv:1005.5480, 2011.

[3] D.P. Finkbeiner, Meng Su,Ch. Weniger,Is the 130 GeV Line Real? A Search for Systematics in the Fermi-LAT Data,2012, arXiv: 1209.4562v1