Delta mi!

Wielkie przeglądy nieba ukazują lokalny Wszechświat o strukturze siatki - lub raczej pajęczyny będącej dziełem pijanego pająka. W strukturze tej obszary o dużych zagęszczeniach galaktyk (ogólniej, materii świecącej) przedzielone są tu i ówdzie rejonami całkowitej pustki. Ale Wszechświat nie zawsze tak wyglądał. Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła (cosmic microwave background, CMB) pochodzącego z okresu około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu przedstawiają młody Wszechświat jako prawie jednorodny. Naturalnie więc rodzą się pytania. Jak i kiedy wielkoskalowa struktura Wszechświata zaczęła się formować? Jakie czynniki miały największy wpływ na jej ewolucję? Jak ta ewolucja w ogóle przebiegała?

Supernowa to zjawisko kataklizmiczne, związane ze śmiercią pewnych rodzajów gwiazd. Jak wskazuje nazwa, jest "czymś więcej" niż nova, którą to nazwą astronomowie oznaczają nowy obiekt na nieboskłonie (np. nowe karłowate to układy podwójne, w których następuje akrecja na powierzchnię białego karła, co powoduje wybuchy znacznie zwiększające jasność układu). Supernowa jako obiekt badań została wprowadzona do astronomii przez Waltera Baade i Fritza Zwicky'ego w 1931 roku.

Widmo spektroskopowe światła widzialnego - szerzej znane jest jako… tęcza. Na pozornie białe światło słoneczne składa się cała paleta barw - od czerwonego do fioletowego. Ale czym tak naprawdę są te kolory? To sposób, w jaki nasz mózg interpretuje różne długości fali promieniowania elektromagnetycznego (światła). Czerwony kolor to najdłuższe fale, jakie potrafi rejestrować nasze oko, a fioletowy to te najkrótsze.

Już od XIX wieku wiadomo, że każdy pierwiastek układu okresowego emituje i absorbuje światło tylko na określonych długościach fali (patrz artykuł powyżej). Astronomowie zauważyli jednak, że dla gwiazd i galaktyk linie widmowe często są przesunięte w stosunku do tych laboratoryjnych, mimo że odległości pomiędzy poszczególnymi liniami pozostają niezmienne. Dla większości galaktyk przesunięcie to następuje w kierunku dłuższych długości fali, czyli w stronę koloru czerwonego. Dlatego zjawisko to nazwano przesunięciem ku czerwieni (redshift). W astronomii często jest oznaczane literą z.

W galaktykach spiralnych, do których zaliczamy Drogę Mleczną, gwiazdy w dysku krążą wokół centralnie położonego jądra, a ich rozmieszczenie w ramionach spiralnych odpowiada za charakterystyczny kształt tych obiektów. Ciągle zachodzące procesy gwiazdotwórcze zawdzięczają swą aktywność obłokom gazu i pyłu, a populacja młodych gwiazd nadaje tym obiektom kolor niebieski. Natomiast orientacja orbit gwiazd w galaktykach eliptycznych jest prawie izotropowa, nadając im kształt trójosiowych elipsoid. Obiekty te są niemal pozbawione gazowych obłoków i mają szczątkową aktywność gwiazdotwórczą. Dominująca w nich populacja starych gwiazd odpowiada za ich czerwoną barwę.

W rozszerzającym się wszechświecie prędkość niezwiązanego grawitacyjnie obiektu jest wprost proporcjonalna do odległości tego obiektu od obserwatora: pod warunkiem, że odległość między obserwatorem a oddalającym się obiektem nie jest przesadnie duża. To oparte na obserwacjach astronomicznych stwierdzenie znane jest pod nazwą prawa Hubble'a i uznawane za jedno z największych osiągnięć astronomii i fizyki XX wieku. Współczynnik proporcjonalności to stała Hubble'a mówiąca o tym, jak szybko rozszerza się obecnie wszechświat.

Kiedy odpowiednio masywne gwiazdy osiągną dojrzały wiek, eksplodują. Wybuch zaczyna się w rzeczywistości od zapadnięcia się niestabilnego centrum gwiazdy. Jądro, składające się z żelaza, niklu i lżejszych pierwiastków, zostaje zgniecione do ogromnych gęstości, a jego rozmiar zmienia się od kilku tysięcy do kilkunastu kilometrów. W tak dużym ciśnieniu większość protonów zamienia się w neutrony, a energia ucieka w postaci promieniowania i neutrin. W gęstym centrum wybuchającej supernowej powstaje gwiazda neutronowa.

Czarne dziury są najbardziej niezwykłą teoretyczną przepowiednią wynikającą z równań ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Dwie ich cechy budzą ogromne wątpliwości teoretyków: istnienie centralnej osobliwości oraz istnienie horyzontu zdarzeń. Żadna z nich nie została zweryfikowana obserwacyjnie. Z drugiej strony teoretycy nie potrafią uzgodnić stanowiska, czy osobliwości i horyzont powodują poważny kryzys w fizyce. Natomiast obserwatorzy są o wiele mniej sceptyczni...

W sierpniu 2017 roku zespoły LIGO i Virgo wykryły nadchodzący z pobliskiej galaktyki NGC 4993 sygnał, nazwany później GW170817: potężną falę grawitacyjną powstałą podczas połączenia się gwiazd neutronowych w relatywistycznym układzie podwójnym. Oprócz fal grawitacyjnych zaobserwowano, pochodzące z tego samego źródła, promienie X, UV, światło widzialne, podczerwone oraz fale radiowe. Zaobserwowany przez satelity Fermi i INTEGRAL w tym samym momencie krótki błysk (GRB 170817A) dowodzi niezbicie, że tego typu zjawiska powstają na skutek zderzeń zwartych, gęstych obiektów. Błysk był niezwykle słaby, co może oznaczać, że główne źródło promieniowania - dżet - obserwowaliśmy pod niezaniedbywalnym kątem.

Czym jest Ciemna Materia? Jest jedną z największych i najdłużej opierających się rozwiązaniu zagadek Wszechświata. Pytanie dotyka naukowców z szerokiego wachlarza dziedzin, od fizyków cząstek elementarnych, przez astrofizyków, po kosmologów badających najdalsze zakamarki kosmosu.

Na początku XX wieku obserwacje przeprowadzone przez E.P. Hubble'a doprowadziły do odkrycia, że Droga Mleczna jest tylko jedną z miliardów galaktyk. Niektóre, jak nasza rodzima Galaktyka, przypominają kształtem płaski dysk ze spiralnymi ramionami, inne zaś są niemal kuliste. Jednak galaktyki obok wielu różnic wykazują również istotne podobieństwa, które stają się podstawą systemów klasyfikacji...

Detekcja i analiza fal grawitacyjnych jest stosunkowo nowym sposobem obserwacji Wszechświata. Dotychczasowe fale, wykrywane już praktycznie regularnie przez interferometry LIGO (znajdujące się w Hanford w stanie Waszyngton oraz Livingston w stanie Luizjana) oraz Virgo (Cascina obok Pizy we Włoszech) powstały w ostatnich chwilach życia układów podwójnych czarnych dziur o masie gwiazdowej (masy rzędu ), lub gwiazd neutronowych (masy około )...

Czy zastanawiasz się czasem, Czytelniku, skąd wziął się wodór i tlen powszechne w wodzie i powietrzu, wapń wchodzący w skład kości, żelazo we krwi, a także miedź neodym terb dysproz wolfram platyna złoto i dziesiątki innych metali "ziem rzadkich" niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania naszych smartfonów?

Symulacje komputerowe są dzisiaj niezbędną częścią badań naukowych, na równi z rozważaniami czysto teoretycznymi i prowadzeniem eksperymentów lub obserwacji. Na przykładzie modelowania fizyki galaktyk możemy zobaczyć, dlaczego symulacje są tak istotne, w jaki sposób się je konstruuje, czego się dzięki nim uczymy oraz jakie są ich ograniczenia.

Grawitacja jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań znanych fizykom. Mimo że doświadczamy jej w codziennym życiu, jej natura jest najsłabiej zbadana zwłaszcza w warunkach odbiegających od ziemskich. Obserwacje Kosmosu pozwalają nam na śledzenie procesów zachodzących w ogromnych, nieosiągalnych na Ziemi polach grawitacyjnych, i w ten sposób testować nasze teorie. Jak do tej pory świetnie sprawdza się ogólna teoria względności Einsteina: opis sposobu, w jaki masy zakrzywiają wokół siebie przestrzeń i zmieniają tempo, w jakim płynie czas. Jeśli masy poruszają się w czasoprzestrzeni z przyśpieszeniem, to faluje ona i drga proporcjonalnie do wielkości mas i szybkości ich ruchu. Zmienne w czasie zachowanie się odległości i przepływu czasu w czasoprzestrzeni, wywołane ruchem mas, nazywamy falami grawitacyjnymi.

Gwiazdy o różnych masach i rozmiarach powstają w podobny sposób w gęstych od gazu i pyłu obszarach gwiazdotwórczych. Narodziny gwiazdy poprzedza zapadnięcie się pod wpływem własnej grawitacji chmury składającej się głównie ze zjonizowanego wodoru, czemu towarzyszy wzrost gęstości chmury oraz przemiana grawitacyjnej energii potencjalnej w energię termiczną (rozgrzanie się materii). Po przekroczeniu krytycznej wartości temperatury rozpoczyna się fuzja jądrowa i nowo narodzona gwiazda zaczyna świecić, powstrzymując ciśnieniem własnego promieniowania dalsze zapadanie się.

Na początku czerwca zespoły naukowe LIGO (USA) i Virgo (projekt europejski, w którym uczestniczy także polska grupa badawcza) przedstawiły wyniki analizy trwającej wciąż kampanii obserwacyjnej O2: trzecią bezpośrednią detekcję fal grawitacyjnych. Sygnał został wykryty 4 stycznia 2017 i nazwany GW170104. Powstał on, podobnie jak poprzednie, w wyniku zapadnięcia się układu podwójnego masywnych czarnych dziur.

Czarne dziury są, być może, najdziwniejszymi obiektami badań współczesnej astrofizyki. W geometrycznym opisie grawitacji Alberta Einsteina każda masa zakrzywia (ugina) czasoprzestrzeń tym mocniej, im jest większa i bardziej "skoncentrowana" w jednym miejscu. Zwarte obiekty, to znaczy takie, dla których stosunek masa-promień jest duży, są źródłami lokalnie większego zakrzywienia...

Według ogólnej teorii względności grawitacja jest skutkiem zakrzywiania się czterowymiarowej czasoprzestrzeni wokół masywnych obiektów. Mniej masywne ciała poruszają się wokół bardziej masywnych po liniach geodezyjnych (liniach "najprostszych" w zakrzywionej przestrzeni), co np. w przypadku planet w Układzie Słonecznym daje wrażenie ruchu po orbitach eliptycznych. Na swobodnie poruszające się ciała nie działa żadna siła: ich trajektorie są wynikiem geometrii.

W swojej pracy astronomowie często korzystają z katalogów będących wynikiem wielkich przeglądów nieba. Zebrane w nich dane poddawane są różnorakim analizom. Ważne jest przy tym, aby katalogi charakteryzowały się jak największą kompletnością i jednorodnością. Niejednokrotnie podczas analizy statystycznej dobrze poznanych typów obiektów wykrywane są źródła rzadko spotykane lub wykazujące niezwykłe zachowanie. Dlatego też odpowiedni sposób klasyfikacji obserwowanych obiektów jest bardzo istotnym, o ile nie najistotniejszym krokiem, który należy wykonać przed przystąpieniem do zaawansowanego badania właściwości fizycznych obserwowanych obiektów niebieskich.

Czarne dziury ujawniają nam swe istnienie poprzez oddziaływanie z otaczającą materią. Szczególnie spektakularne świadectwa ich obecności zapewniają obserwacje układów podwójnych, ponieważ oddziaływanie grawitacyjne czarnej dziury z towarzyszem, będącym często zwykłą gwiazdą ciągu głównego, prowadzi w sprzyjających okolicznościach do utworzenia dysku akrecyjnego.