wszechświat
Autor: Duncan Lorimer i Maura McLaughlin | dodano: 2018-04-24
Nocne błyski

Pewnego dnia na początku 2007 roku przyszedł do nas z nowiną student David Narkevic. David studiował fizykę na West Virginia University, gdzie oboje właśnie zaczęliśmy pierwszy rok pracy na stanowisku assistant professor. Poleciliśmy mu przejrzeć archiwalne obserwacje Obłoków Magellana – małych galaktyk satelitarnych, które obiegają Drogę Mleczną w odległości około 200 000 lat świetlnych od Ziemi. Narkevic miał zwyczaj umniejszać znaczenie faktów, i tym razem postąpił tak samo. „Odkryłem coś, co może okazać się interesujące” – oznajmił nonszalancko, pokazując wykres, na którym widać było sygnał 100 razy silniejszy od szumu wywołanego przez elektronikę radioteleskopu. Na pierwszy rzut oka wyglądało to jak promieniowanie jednego z szukanych przez nas obiektów: bardzo małej, jasnej gwiazdy zwanej pulsarem.

Te gęste gwiazdy o silnym polu magnetycznym wysyłają promieniowanie w wiązkach, których kierunek zmienia się regularnie wraz z obrotem gwiazdy, dzięki czemu, tak jak z latarni morskiej, docierają do nas jego „pulsy”. W owym czasie astronomowie znali ponad 2000 pulsarów, a my poszukiwaliśmy kolejnych, bardzo dalekich i szczególnie jasnych. Badanie wykorzystywało oprogramowanie, stworzone przez jedno z nas (McLaughlin) i jej doktoranta, pozwalające w zarejestrowanym promieniowaniu radiowym wyszukiwać poszczególne pulsy. Kod uwzględniał efekt zwany dyspersją pulsów. Polega on na tym, że fale radiowe w trakcie swojego lotu w przestrzeni ulegają rozmyciu przez znajdujące się w ośrodku międzygwiazdowym swobodne elektrony. Przypomina to rozszczepienie światła przez pryzmat. Swobodne elektrony tworzą plazmę, w której fale radiowe o dużej częstotliwości poruszają się szybciej i przybywają wcześniej do radioteleskopu niż fale o małej częstotliwości. Im dalej źródło znajduje się od Ziemi, tym więcej elektronów stoi na drodze fal radiowych, co powoduje większą różnicę w momentach nadejścia fal o dużych i małych częstotliwościach. Ponieważ nie wiemy, w jakiej odległości mogą znajdować się nowe pulsary, oprogramowanie musi skanować dane w taki sposób, aby wyłowić sygnały o różnym stopniu dyspersji. Dzięki temu mamy gwarancję, że wychwycimy pulsary leżące w różnych odległościach.

W owym czasie Narkevic analizował liczące sobie pięć lat obserwacje wykonane za pomocą radioteleskopu Parkes w Australii. Instrument ten może szybko badać duże obszary nieba, rejestrując jednocześnie promieniowanie z 13 kierunków (zwanych wiązkami). Narkevic na oko oceniał sygnały wykryte przez oprogramowanie, aby od razu wyeliminować ponad 99% efektów będących tylko szumem instrumentalnym lub zakłóceniami wywołanymi przez inne urządzenia stworzone przez ludzi. Odkryty przez Narkevica sygnał był ciekawy nie tylko z powodu wielkiego natężenia, ale także dlatego, że nadszedł z obszaru nieba leżącego kilka stopni na południe od Małego Obłoku Magellana, czyli stąd, gdzie nie należało się spodziewać żadnych pulsarów, które mogłyby być powiązane z tą galaktyką karłowatą. Najbardziej zaskakujący był bardzo duży stopień dyspersji – wielokrotnie większy niż w przypadku obiektów z Drogi Mlecznej i o 50% przekraczający wartość oczekiwaną dla pulsarów z Małego Obłoku Magellana. Z ocen wynikało, że źródło sygnału może znajdować się około trzy miliardy lat świetlnych od nas, czyli daleko poza naszą Grupą Lokalną Galaktyk.

Jeżeli błysk faktycznie nadleciał z takiej odległości, musiał zostać wyemitowany, zanim jeszcze dinozaury zasiedliły Ziemię. Wykorzystując fakt, że prędkość światła jest skończona, oraz (krótki) czas trwania sygnału, da się ocenić, iż średnica jego źródła nie może być większa niż 10 ms świetlnych, czyli około 3000 km. Rozmiar ten jest znacznie mniejszy od średnicy Słońca, która wynosi 1,4 mln kilometrów. Takim obiektem mógłby być pulsar, ale ilość wyemitowanej energii musiałaby przewyższać energię uwalnianą przez Słońce przez cały miesiąc i ponad miliard razy energię najsilniejszych pulsów wysyłanych przez pulsary.

Jakie ciało niebieskie byłoby zdolne wytworzyć tak spektakularne przedstawienie? Naszym pierwszym celem było stwierdzenie, czy puls nie został wywołany przez jakieś przyrządy stworzone przez ludzi. W odróżnieniu od błysków pulsarów, nie było to zjawisko powtarzalne – w ciągu około dwugodzinnej obserwacji puls pojawił się tylko raz. Z bardziej szczegółowej analizy wynikało jednak, że różnice momentów zarejestrowania pulsu w różnych częstotliwościach były dokładnie takie, jak przewiduje model dyspersji wywołanej przez ośrodek międzygwiazdowy. Koincydencja byłaby niezwykle mało prawdopodobna. Dodatkowym dowodem na kosmiczne pochodzenie sygnału radiowego był fakt, że nadszedł on z jednego miejsca na niebie. W jednej z 13 wiązek radioteleskopu Parkes jego natężenie było bardzo duże, natomiast w trzech innych – znacznie słabsze; są to charakterystyczne cechy dla obserwacji obiektów astronomicznych. W przypadku zakłóceń wywołanych przez urządzenia naziemne sygnał rejestrują wszystkie wiązki.

Wyglądało na to, że Narkevic odkrył coś absolutnie nowego – sygnał, któremu będziemy poświęcać coraz więcej uwagi i który wprawi w osłupienie społeczność astronomów. Podejrzewaliśmy, że taki dziwny sygnał nie może być czymś unikatowym. Na podstawie czasu trwania obserwacji i pola widzenia radioteleskopu Parkes oszacowaliśmy, że codziennie na całym niebie powinny pojawiać się setki takich jasnych pulsów, które pozostają niezauważone. Później w 2007 roku opublikowaliśmy artykuł, w którym zasugerowaliśmy, że zaobserwowane zjawisko stanowi prototyp nowej populacji źródeł radiowych o nieznanym pochodzeniu. Spekulowaliśmy, że jeśli uda się je zidentyfikować i wyjaśnić ich strukturę, poznamy nie tylko nowy rodzaj ciał niebieskich, ale także korzystając ze zmierzonego stopnia dyspersji, będziemy w stanie wyznaczyć ich odległości, co pozwoli stworzyć mapę wielkoskalowej struktury Wszechświata. Najpierw jednak musieliśmy znaleźć dowód, że puls był czymś realnym. Poszukiwania tego dowodu były pełne niespodziewanych zwrotów akcji i prawie zakończyły się porażką.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 05/2018 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
12/2018
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Grudzień
12
W 1901 r.  Guglielmo Marconi przeprowadził pierwszą transmisję radriową przez Atlantyk.
Warto przeczytać
Czy można badać kosmos zwykłym kijem? Jaki kolor ma wszechświat? Czy stojąc na szczycie Mount Everestu, jesteśmy najdalej od środka Ziemi?

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Duncan Lorimer i Maura McLaughlin | dodano: 2018-04-24
Nocne błyski

Pewnego dnia na początku 2007 roku przyszedł do nas z nowiną student David Narkevic. David studiował fizykę na West Virginia University, gdzie oboje właśnie zaczęliśmy pierwszy rok pracy na stanowisku assistant professor. Poleciliśmy mu przejrzeć archiwalne obserwacje Obłoków Magellana – małych galaktyk satelitarnych, które obiegają Drogę Mleczną w odległości około 200 000 lat świetlnych od Ziemi. Narkevic miał zwyczaj umniejszać znaczenie faktów, i tym razem postąpił tak samo. „Odkryłem coś, co może okazać się interesujące” – oznajmił nonszalancko, pokazując wykres, na którym widać było sygnał 100 razy silniejszy od szumu wywołanego przez elektronikę radioteleskopu. Na pierwszy rzut oka wyglądało to jak promieniowanie jednego z szukanych przez nas obiektów: bardzo małej, jasnej gwiazdy zwanej pulsarem.

Te gęste gwiazdy o silnym polu magnetycznym wysyłają promieniowanie w wiązkach, których kierunek zmienia się regularnie wraz z obrotem gwiazdy, dzięki czemu, tak jak z latarni morskiej, docierają do nas jego „pulsy”. W owym czasie astronomowie znali ponad 2000 pulsarów, a my poszukiwaliśmy kolejnych, bardzo dalekich i szczególnie jasnych. Badanie wykorzystywało oprogramowanie, stworzone przez jedno z nas (McLaughlin) i jej doktoranta, pozwalające w zarejestrowanym promieniowaniu radiowym wyszukiwać poszczególne pulsy. Kod uwzględniał efekt zwany dyspersją pulsów. Polega on na tym, że fale radiowe w trakcie swojego lotu w przestrzeni ulegają rozmyciu przez znajdujące się w ośrodku międzygwiazdowym swobodne elektrony. Przypomina to rozszczepienie światła przez pryzmat. Swobodne elektrony tworzą plazmę, w której fale radiowe o dużej częstotliwości poruszają się szybciej i przybywają wcześniej do radioteleskopu niż fale o małej częstotliwości. Im dalej źródło znajduje się od Ziemi, tym więcej elektronów stoi na drodze fal radiowych, co powoduje większą różnicę w momentach nadejścia fal o dużych i małych częstotliwościach. Ponieważ nie wiemy, w jakiej odległości mogą znajdować się nowe pulsary, oprogramowanie musi skanować dane w taki sposób, aby wyłowić sygnały o różnym stopniu dyspersji. Dzięki temu mamy gwarancję, że wychwycimy pulsary leżące w różnych odległościach.

W owym czasie Narkevic analizował liczące sobie pięć lat obserwacje wykonane za pomocą radioteleskopu Parkes w Australii. Instrument ten może szybko badać duże obszary nieba, rejestrując jednocześnie promieniowanie z 13 kierunków (zwanych wiązkami). Narkevic na oko oceniał sygnały wykryte przez oprogramowanie, aby od razu wyeliminować ponad 99% efektów będących tylko szumem instrumentalnym lub zakłóceniami wywołanymi przez inne urządzenia stworzone przez ludzi. Odkryty przez Narkevica sygnał był ciekawy nie tylko z powodu wielkiego natężenia, ale także dlatego, że nadszedł z obszaru nieba leżącego kilka stopni na południe od Małego Obłoku Magellana, czyli stąd, gdzie nie należało się spodziewać żadnych pulsarów, które mogłyby być powiązane z tą galaktyką karłowatą. Najbardziej zaskakujący był bardzo duży stopień dyspersji – wielokrotnie większy niż w przypadku obiektów z Drogi Mlecznej i o 50% przekraczający wartość oczekiwaną dla pulsarów z Małego Obłoku Magellana. Z ocen wynikało, że źródło sygnału może znajdować się około trzy miliardy lat świetlnych od nas, czyli daleko poza naszą Grupą Lokalną Galaktyk.

Jeżeli błysk faktycznie nadleciał z takiej odległości, musiał zostać wyemitowany, zanim jeszcze dinozaury zasiedliły Ziemię. Wykorzystując fakt, że prędkość światła jest skończona, oraz (krótki) czas trwania sygnału, da się ocenić, iż średnica jego źródła nie może być większa niż 10 ms świetlnych, czyli około 3000 km. Rozmiar ten jest znacznie mniejszy od średnicy Słońca, która wynosi 1,4 mln kilometrów. Takim obiektem mógłby być pulsar, ale ilość wyemitowanej energii musiałaby przewyższać energię uwalnianą przez Słońce przez cały miesiąc i ponad miliard razy energię najsilniejszych pulsów wysyłanych przez pulsary.

Jakie ciało niebieskie byłoby zdolne wytworzyć tak spektakularne przedstawienie? Naszym pierwszym celem było stwierdzenie, czy puls nie został wywołany przez jakieś przyrządy stworzone przez ludzi. W odróżnieniu od błysków pulsarów, nie było to zjawisko powtarzalne – w ciągu około dwugodzinnej obserwacji puls pojawił się tylko raz. Z bardziej szczegółowej analizy wynikało jednak, że różnice momentów zarejestrowania pulsu w różnych częstotliwościach były dokładnie takie, jak przewiduje model dyspersji wywołanej przez ośrodek międzygwiazdowy. Koincydencja byłaby niezwykle mało prawdopodobna. Dodatkowym dowodem na kosmiczne pochodzenie sygnału radiowego był fakt, że nadszedł on z jednego miejsca na niebie. W jednej z 13 wiązek radioteleskopu Parkes jego natężenie było bardzo duże, natomiast w trzech innych – znacznie słabsze; są to charakterystyczne cechy dla obserwacji obiektów astronomicznych. W przypadku zakłóceń wywołanych przez urządzenia naziemne sygnał rejestrują wszystkie wiązki.

Wyglądało na to, że Narkevic odkrył coś absolutnie nowego – sygnał, któremu będziemy poświęcać coraz więcej uwagi i który wprawi w osłupienie społeczność astronomów. Podejrzewaliśmy, że taki dziwny sygnał nie może być czymś unikatowym. Na podstawie czasu trwania obserwacji i pola widzenia radioteleskopu Parkes oszacowaliśmy, że codziennie na całym niebie powinny pojawiać się setki takich jasnych pulsów, które pozostają niezauważone. Później w 2007 roku opublikowaliśmy artykuł, w którym zasugerowaliśmy, że zaobserwowane zjawisko stanowi prototyp nowej populacji źródeł radiowych o nieznanym pochodzeniu. Spekulowaliśmy, że jeśli uda się je zidentyfikować i wyjaśnić ich strukturę, poznamy nie tylko nowy rodzaj ciał niebieskich, ale także korzystając ze zmierzonego stopnia dyspersji, będziemy w stanie wyznaczyć ich odległości, co pozwoli stworzyć mapę wielkoskalowej struktury Wszechświata. Najpierw jednak musieliśmy znaleźć dowód, że puls był czymś realnym. Poszukiwania tego dowodu były pełne niespodziewanych zwrotów akcji i prawie zakończyły się porażką.