Z komunikatu prasowego Caltech:
Woda naprawdę jest wszędzie. Patrząc z odległości 30 miliardów bilionów mil na kwazar - jeden z najjaśniejszych i najbardziej gwałtownych obiektów w kosmosie - naukowcy odkryli masę pary wodnej, która jest co najmniej 140 bilionów razy większa niż całej wody w oceanach świata połączone i 100 000 razy masywniejsze niż słońce.
Ponieważ kwazar jest tak daleko, jego światło zajęło Ziemi 12 miliardów lat. Obserwacje ujawniają zatem czas, gdy wszechświat miał zaledwie 1,6 miliarda lat. „Środowisko wokół tego kwazara jest wyjątkowe, ponieważ wytwarza tak ogromną masę wody”, mówi Matt Bradford, naukowiec z Jet Propulsion Laboratory (JPL) i współpracownik w Caltech. „To kolejny dowód na to, że woda jest wszechobecna we wszechświecie, nawet w najwcześniejszych czasach.” Bradford kieruje jednym z dwóch międzynarodowych zespołów astronomów, którzy opisali swoje odkrycia kwazara w osobnych artykułach, które zostały zaakceptowane do publikacji w Astrophysical Journal Letters.
Przeczytaj artykuł Bradforda i zespołu tutaj.
Kwazar jest napędzany przez ogromną czarną dziurę, która stale pochłania otaczający dysk gazu i pyłu; podczas jedzenia kwazar wyrzuca ogromne ilości energii. Obie grupy astronomów badały szczególny kwazar o nazwie APM 08279 + 5255, który kryje w sobie czarną dziurę 20 miliardów razy masywniejszą od Słońca i wytwarza tyle samo energii, co tysiąc bilionów słońc.
Ponieważ astronomowie spodziewali się obecności pary wodnej nawet we wczesnym wszechświecie, odkrycie wody nie jest zaskoczeniem, mówi Bradford. W Drodze Mlecznej jest para wodna, chociaż całkowita ilość jest 4000 razy mniejsza niż w kwazarach, ponieważ większość wody Drogi Mlecznej jest zamarznięta w postaci lodu.
Niemniej jednak para wodna jest ważnym gazem śladowym, który ujawnia naturę kwazara. W tym konkretnym kwazara para wodna rozprowadzana jest wokół czarnej dziury w regionie gazowym obejmującym setki lat świetlnych (rok świetlny wynosi około sześciu bilionów mil), a jego obecność wskazuje, że gaz jest niezwykle ciepły i gęsty z astronomicznego punktu widzenia standardy. Chociaż gaz jest chłodny –53 stopnie Celsjusza (–63 stopnie Fahrenheita) i jest 300 trylionów razy mniej gęsty niż atmosfera ziemska, wciąż jest pięciokrotnie cieplejszy i od 10 do 100 razy gęstszy niż to, co jest typowe w galaktykach takich jak Droga Mleczna.
Para wodna jest tylko jednym z wielu rodzajów gazu otaczającego kwazar, a jego obecność wskazuje, że kwazar kąpie gaz zarówno w promieniach rentgenowskich, jak i promieniowaniu podczerwonym. Interakcja między promieniowaniem a parą wodną ujawnia właściwości gazu i jego wpływ na kwazar. Na przykład analiza pary wodnej pokazuje, jak promieniowanie ogrzewa resztę gazu. Ponadto pomiary pary wodnej i innych cząsteczek, takich jak tlenek węgla, sugerują, że jest wystarczająca ilość gazu, aby zasilić czarną dziurę, dopóki nie osiągnie ona około sześciokrotnie swojej wielkości. Astronomowie twierdzą, że to się stanie, nie jest jasne, ponieważ część gazu może się skondensować w gwiazdy lub zostać wyrzucona z kwazara.
Zespół Bradforda obserwował od 2008 roku, używając przyrządu o nazwie Z-Spec w Caltech Submillimeter Observatory (CSO), 10-metrowym teleskopie w pobliżu szczytu Mauna Kea na Hawajach. Z-Spec jest niezwykle czułym spektrografem, wymagającym temperatur schłodzonych do 0,06 stopnia Celsjusza powyżej zera absolutnego. Przyrząd mierzy światło w obszarze widma elektromagnetycznego zwanym pasmem milimetrowym, który znajduje się między długościami fal podczerwonych i mikrofalowych. Odkrycie przez naukowców wody było możliwe tylko dlatego, że zasięg spektralny Z-Spec jest 10 razy większy niż w przypadku poprzednich spektrometrów pracujących na tych długościach fal. Astronomowie dokonali dalszych obserwacji za pomocą Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA), szeregu anten radiowych w górach Inyo w Południowej Kalifornii.
Odkrycie to podkreśla zalety obserwacji w falach milimetrowych i submilimetrowych, twierdzą astronomowie. W ostatnich dwóch lub trzech dekadach pole to szybko się rozwijało. Aby osiągnąć pełny potencjał tej linii badań, astronomowie - w tym autorzy badań - projektują teraz CCAT, 25-metrowy teleskop, który ma zostać zbudowany na pustyni Atacama w Chile. CCAT pozwoli astronomom odkryć niektóre z najwcześniejszych galaktyk we wszechświecie. Mierząc obecność wody i innych ważnych gazów śladowych, astronomowie mogą badać skład tych pierwotnych galaktyk.
Druga grupa, kierowana przez Dariusza Lis, starszego współpracownika w dziedzinie fizyki w Caltech i zastępcy dyrektora GUS, wykorzystała interferometr Plateau de Bure we francuskich Alpach do znalezienia wody. W 2010 roku zespół Lis szukał śladów fluorowodoru w spektrum APM 08279 + 5255, ale przypadkowo wykrył sygnał w spektrum kwazara, który wskazywałby na obecność wody. Sygnał miał częstotliwość odpowiadającą promieniowaniu, które jest emitowane, gdy woda przechodzi ze stanu wyższej energii do niższej. Podczas gdy zespół Lis znalazł tylko jeden sygnał na jednej częstotliwości, szerokie pasmo Z-Spec pozwoliło Bradfordowi i jego współpracownikom odkryć emisję wody na wielu częstotliwościach. Te wielokrotne przejścia wody umożliwiły zespołowi Bradforda określenie właściwości fizycznych gazu kwazara i masy wody.
