• Sobota, 20 lipca 2019

    imieniny: Czesława, Hieronima

Złotodajne gwiazdy

Piątek, 24 maja 2019 (13:49)

Wszechświat nie przestaje nas zadziwiać. Ma wspaniałą strukturę, fascynującą historię i zachodzą w nim wyrafinowane procesy. 

Przy gwałtownym połączeniu się dwóch gwiazd neutronowych powstała ilość złota i platyny o masie kilkadziesiąt razy większej od masy Ziemi.

Gwiazdy neutronowe to najbardziej ekstremalne, najgęstsze obiekty znane nauce. Powstają w wyniku końcowej ewolucji dużych gwiazd o masach od 8 do 10 mas Słońca, polegającej na ich eksplozji w postaci gwiazdy supernowej, podczas której większość materii jest wyrzucana z ogromną siłą w przestrzeń kosmiczną, a pozostała materia gwiazdy jest zgniatana do gęstości wielokrotnie większej od gęstości jąder atomowych. Ich gęstość jest około 100 bilionów razy większa od gęstości wody (łyżeczka materii gwiazdy neutronowej ma masę ponad 100 miliardów ton), a grawitacja na jej powierzchni przekracza 100 miliardów razy przyspieszenie ziemskie. Gwiazdy neutronowe przy średnicy około 25 km mają masę około 2 mas Słońca. Gwiazdy neutronowe na ogół bardzo szybko się obracają wokół własnej osi. W ciągu sekundy wykonują często więcej niż 100 obrotów. Jako szybko wirujące i dysponujące silnym polem magnetycznym – miliardy razy silniejszym od pola magnetycznego Ziemi – emitują w przestrzeń kosmiczną wiązki promieni radiowych. Jeżeli zdarzy się tak, że Ziemia znajdzie się na linii takiej wiązki, to radioteleskopy mogą wykryć taką gwiazdę neutronową jako pulsujące źródło promieniowania radiowego, zwane pulsarem.

Fale grawitacyjne

W 1915 roku została sformułowana przez Alberta Einsteina ogólna teoria względności. Teoria ta została eks-perymentalnie potwierdzona z dokładnością jak jeden do stu bilionów. Znalazła ona także praktyczne zastosowanie w nawigacji satelitarnej, na przykład w amerykańskim systemie GPS. Według tej teorii, ruch w polu grawitacyjnym jest ruchem bezwładnym w zakrzywionej czasoprzestrzeni, będącej zespoleniem trzech wymiarów przestrzennych i czasu pomnożonego przez prędkość światła w próżni. Zakrzywienie czasoprzestrzeni określone jest przez rozmieszczenie w niej ciał mających masę.

Zgodnie z elektrodynamiką ciało posiadające ładunek elektryczny i poruszające się ruchem z niezerowym przyspieszeniem emituje fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się w pustej przestrzeni z prędkością światła w próżni. Podobnie, zgodnie z ogólną teorią względności, ciało posiadające masę i poruszające się ruchem z niezerowym przyspieszeniem generuje fale grawitacyjne, które są zaburzeniami krzywizny przestrzeni rozchodzącymi się w przestrzeni też z prędkością światła w próżni. Fale grawitacyjne – tak jak fale elektromagnetyczne – przenoszą energię.

Jednak efekty grawitacyjne są nieporównanie słabsze od efektów elektromagnetycznych. Dla uzmysłowienia sobie stopnia słabości fal grawitacyjnych w stosunku do zjawisk elektromagnetycznych wystarczy przytoczyć fakt, że największe masy w Układzie Słonecznym – Słońce i Jowisz – krążąc wokół wspólnego środka masy, emitują fale grawitacyjne tylko o mocy zbliżonej do zwykłej 40-watowej żarówki.

W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że fala grawitacyjna, padając z kierunku prostopadłego w stosunku do masy o kształcie kolistego pierścienia, zmienia jego kształt. Przyjmuje on kształt elipsy o osiach głównych zmieniających się w czasie. Zatem wykrycie fali grawitacyjnej wymaga dokładnego pomiaru zależnych od czasu odkształceń przedmiotu w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Problem polega jednak na tym, że z uwagi na słabość fal grawitacyjnych takie odkształcenia mogą być niezwykle małe. Z uwagi na to, że efekty grawitacyjne są nieporównanie słabsze od zjawisk elektromagnetycznych, dopiero 14 września 2015 roku udało się bezpośrednio zaobserwować falę grawitacyjną. Całe zjawisko trwało zaledwie 0,12 s.

Analiza teoretyczna przebiegu zaobserwowanego sygnału fali grawitacyjnej wykazała, że jej źródłem był proces połączenia się dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur, czyli obiektów tak silnie zakrzywiających czasoprzestrzeń, że nic z nich nie może się wydostać. Jedna z tych czarnych dziur miała masę równą 29, a druga 36 mas Słońca. Utworzyły one razem czarną dziurę o masie 62 mas Słońca. Proces ich połączenia był bardzo gwałtowny i doznawały one ogromnych przyspieszeń – masa równa 3 masom Słońca zmieniła się w ułamku sekundy w energię fali grawitacyjnej. Moc tego promieniowania przewyższała moc promieniowania elektromagnetycznego wszystkich galaktyk w obserwowalnym wszechświecie. Proces ten nastąpił w galaktyce oddalonej od nas o około 1,3 miliarda lat świetlnych. Amplituda tej fali grawitacyjnej bardzo osłabła, przebywając taką odległość, dając ledwie zauważalny efekt.

W ciągu ostatnich trzech lat zaobserwowano już kilkakrotnie fale grawitacyjne.

Układy podwójne gwiazd neutronowych

W kosmosie występują także silnie związane grawitacyjnie układy podwójne gwiazd neutronowych. W tym przypadku gwiazdy neutronowe krążą wokół wspólnego środka masy, a ich orbity kurczą się, ponieważ taki układ emituje fale grawitacyjne i dzięki temu zmniejsza się jego energia. Przypuszczano więc, że może to doprowadzić do gwałtownego połączenia się dwóch gwiazd neutronowych.

Takie zjawisko istotnie zaobserwowano 17 sierpnia 2017 roku o godzinie 12:41:04 czasu uniwersalnego (UT), rejestrując sygnał fali grawitacyjnej, który nie trwał ułamki sekund, ale prawie 2 minuty. Charakterystyka tego sygnału wskazuje, że masa układu składającego się z połączenia dwóch gwiazd neutronowych wynosi 1,2 mas Słońca.

Był to najdłuższy i najsilniejszy jak do tej pory sygnał fal grawitacyjnych i taki, jakiego należało się spodziewać przy łączeniu się dwóch gwiazd neutronowych.

Dwie sekundy później obserwatorium satelitarne Fermi zarejestrowało słaby błysk promieniowania gamma (promieniowania elektromagnetycznego o najwyższej energii).

Następnie, po 10 godzinach i 52 minutach, zaobserwowano w gwiazdo-zbiorze Hydry w galaktyce NCG 4993, oddalonej od Ziemi o 130 milionów lat świetlnych, czyli odległości równej około 1 proc. największej odległości we wszechświecie, z której może do nas dotrzeć światło, zwanej promieniem obserwowalnego wszechświata, jasne źródło optyczne.

W procesie łączenia się dwóch gwiazd neutronowych została z dużą prędkością odrzucona otoczka o masie 4 proc. masy Słońca, w której radioaktywny materiał neutronowy tworzy silny blask światła, zwany kilonową, produkując, w tzw. procesie r, stanowiącym reakcję jądrową, w której następuje wychwyt szybkich neutronów przez jadra atomowe, ciężkie metale, takie jak złoto i platyna. W tym jednym zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych powstało złoto o masie 30 razy większej od masy Ziemi (!), a platyny około 80 mas Ziemi. Badania przemieszczania się tej otoczki w przestrzeni kosmicznej zostały wykonane 12 marca 2018 roku przez zespół ponad 30 radioteleskopów rozmieszczonych w różnych krajach, także w Polsce w Piwnicach pod Toruniem.

Gwałtowne połączenie się dwóch gwiazd neutronowych stanowi bardzo ważny proces, gdyż zwykłe gwiazdy nie są w stanie wytworzyć pierwiastków cięższych od żelaza. Dopiero wybuchy gwiazd supernowych oraz właśnie kilonowe mogą tworzyć pierwiastki, takie jak: rtęć, ołów, nikiel, uran czy złoto i platynę.

Kilonowa w NGC 4993, świecąca początkowo na niebiesko, przestała świecić już po 10 dniach. Dla porównania typowa gwiazda supernowa świeci około 30 dni. W trakcie kolejnych dni i tygodni wykryto promieniowanie elektromagnetyczne o różnych energiach: podczerwone, ultrafioletowe, rentgenowskie i radiowe. Dowodzi to, że zderzyły się gwiazdy neutronowe, a nie czarne dziury, jak to miało miejsce przy wcześniejszych sygnałach fal grawitacyjnych, ponieważ przy zderzeniach czarnych dziur promieniowanie elektromagnetyczne nie powstaje.

Obserwacje widma tego promieniowania generowanego przez pozostałość po gwałtownym połączeniu się dwóch gwiazd neutronowych umożliwiło oszacowanie, że zostało wytworzone złoto właśnie o masie równej 30 masom Ziemi. W ten sposób odkryto gigantyczne kosmiczne źródło złota. Złota, które zostało rozproszone w przestrzeni kosmicznej. Dowodzi to, że ciężkie metale we wszechświecie są produkowane przede wszystkim przy połączeniu się dwóch gwiazd neutronowych. Zdarzenia takie prawdopodobnie występują we wszechświecie stosunkowo często. Szacuje się do odległości miliarda lat świetlnych od Ziemi, czyli do odległości równej 7 proc. promienia obserwowalnego wszechświata, rocznie takich zdarzeń powinno być od 120 do 180.

Obserwacja po raz pierwszy źródła fal grawitacyjnych, które jednocześnie wyemitowało promieniowanie gamma oraz światło, ma ogromne znaczenie naukowe, ponieważ potwierdziło istnienie fal grawitacyjnych oraz to, że rzeczywiście je wykrywamy, umożliwiło oszacowanie prędkości fal grawitacyjnych – równej prędkości światła w próżni oraz pozwoliło na nowe i niezależne oszacowanie tempa rozszerzania się wszechświata.

Bez przesady można powiedzieć, że wszechświat nie przestaje nas zadziwiać. Im lepiej go poznajemy, tym bardziej widzimy, jaką ma wspaniałą strukturę, fascynującą historię i jakie wyrafinowane w nim zachodzą procesy, determinujące nasze w nim istnienie.

Prof. Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz