Wyobraź sobie, że patrzysz na czerwone domy, a czasem widzisz przelatującą wronę. Wrona i dom mogą być daleko od siebie, więc to musi być niemożliwe, prawda? Cóż, według nowej ankiety, jeśli spojrzysz na kwazar, zobaczysz galaktykę przed sobą w 25% przypadków. Ale w przypadku rozbłysków gamma prawie zawsze istnieje interweniująca galaktyka. Mimo że można je było rozdzielić miliardami lat świetlnych. Rozwiąż to. Dr Jason X. Prochaska z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz mówi mi o dziwnych wynikach, które znaleźli i co może być przyczyną.
Posłuchaj wywiadu: Różnica w zagadkach (7,8 MB)
Lub subskrybuj podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Dobra, aby dać ludziom trochę tła, jaka jest różnica między rozbłyskiem gamma a kwazarem? Myślę, że są całkiem inni.
Dr Prochaska: Tak, może zacznę od podobieństw. Oba są bardzo interesującymi obiektami do badań kosmologii, ponieważ są niezwykle jasnymi obiektami. Innym podobieństwem jest to, że uważamy, że oba są związane z czarnymi dziurami, ale potem istnieje duża różnica między tymi dwoma typami obiektów. Kwazary są uważane za supermasywne czarne dziury - tak czarne dziury, ale niezwykle masywne, w niektórych przypadkach tak masywne jak galaktyka. Akrecyjne wydzielanie gazu do czarnej dziury nagrzewa się, a światło, które widzimy, jest kwazarem. Ponieważ są supermasywne, mogą gromadzić dużo gazu, dzięki czemu mogą świecić bardzo jasno, co widać z bardzo dużych odległości.
Wybuch promieniowania gamma, na którym opiera się ten papier - istnieją dwa typy - jest wynikiem masywnej gwiazdy, pojedynczej gwiazdy, ale dość masywnej, rzędu 10-50 razy większej niż nasze Słońce, przybywa wraz ze śmiercią gwiazdy. Pod koniec swojej naturalnej żywotności. Po jego śmierci tworzy czarną dziurę, a pewna część tych gwiazd, jak wierzymy, tworzy rozbłyski gamma.
Fraser: I zrobiłeś ankietę kwazarów i rozbłysków gamma, a co znalazłeś?
Dr Prochaska: Najpierw postawiłem ucznia na projekt z kwazarami. Istnieje publiczna baza danych o nazwie Sloan Digital Sky Survey, w której zbadano znaczną część północnego nieba. I pobrali spektrum prawdopodobnie blisko miliona obiektów, głównie badanie galaktyki w jej centrum. Oprócz studiowania galaktyk badali także kwazary. Zrobili teraz spektroskopię około 60 000 kwazarów i udostępnili te dane publicznie każdemu na świecie, kto tego chce. Mniej więcej przeszukaliśmy tę bazę danych, szukając sygnatur galaktyk leżących między nami a kwazarami. Więc jeśli masz kwazar z bardzo dużej odległości, ponieważ zwykle kłamią, istnieje szansa, że między nami a kwazarem jest całkiem duża galaktyka. Galaktyka ujawnia się przez linie absorpcyjne na kwazar. Analizując spektrum kwazara, widzisz te cechy związane z kwazarem, które są bardzo charakterystyczne, ale w tym przypadku możesz zobaczyć brak światła. Odcisk palca samej galaktyki, która przypadkowo leży między nami a kwazarem. Ten rodzaj nauki to coś, co robiłem przez ostatnie 12 lat. Poprosiłem mojego studenta o przejrzenie 50 000 kwazarów w ankiecie Sloana i policzenie, jak często między nami a kwazarem znajduje się galaktyka. To pierwszy krok do sedna i istnieje wiele nauk, które mogą wyniknąć z takich poszukiwań tych galaktyk.
Fraser: Możesz więc nie widzieć, jeśli jest tam galaktyka, ale możesz ją wykryć.
Dr Prochaska: Zgadza się. Nasza własna Droga Mleczna jest pełna gwiazd, gazu i pyłu. Jeśli chodzi o bariony, protony i neutrony. Głównymi trzema fazami przebywania barionów w Drodze Mlecznej są gwiazdy, które dość łatwo widać, gaz, który jest mniej lub bardziej niewidoczny, ale emituje z odległości 21 cm - dobrze znaną techniką stosowaną do mapowania gazu w naszej galaktyce za pomocą teleskopy radiowe. Ale gaz może również pochłaniać światło. Emituje przy długości fali 21 cm, ale absorbuje również przy określonych częstotliwościach. Pochłonie światło z obiektu w tle. I tak prawie wszystkie galaktyki mają nie tylko gwiazdy, ale gaz, z którego te gwiazdy się formują, i można wykryć galaktykę, sygnaturę tej galaktyki, badając gaz. I to jest technika, której używamy do kwazarów, i to ta sama technika, której używamy do rozbłysków gamma.
Fraser: Racja, a co znalazłeś z rozbłyskami gamma?
Dr Prochaska: Właściwie jednym ważnym punktem, który pominąłem przy porównywaniu kwazarów z rozbłyskami gamma, jest to, że są bardzo jasne. Tak jak w przypadku ich nazwy, emitują dużo promieni gamma, ale spora ich część - z pewnością ponad połowa - emituje również promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie, światło optyczne, a nawet światło radiowe i jest bardzo jasna na tych częstotliwościach . I tak możemy je zobaczyć w całym Wszechświecie w częstotliwościach ultrafioletowych lub optycznych i wykorzystać je do badania gazu, który znajduje się między nami a rozbłyskiem promieniowania gamma. Tym, co różni się w kwazarach, przynajmniej na razie, jest to, że odkryto o wiele mniej impulsów gamma. Do wykrycia tych zjawisk potrzebny jest satelita kosmiczny, spora ilość technologii, która do niedawna nie istniała na tak wysokim poziomie. Tak więc liczba tych rzeczy, które zostały wykryte, wciąż są liczbami w tysiącach, ale tylko 1-200, które możemy zbadać bardzo szczegółowo. Właśnie to robiliśmy, biorąc nawet część tych około 100, uzyskaliśmy spektrum rozbłysku gamma i ponownie szukaliśmy sygnatury galaktyk, które leżą między nami a wybuchem, ponownie przez gaz. Podsumowując, mamy niewielką próbkę rozbłysków gamma, jednak znacznie więcej nadmiaru galaktyk w kierunku rozbłysków gamma występuje w kierunku kwazarów.
Fraser: Ile jeszcze?
Dr Prochaska: Liczba wynosi teraz 4, co zostało dobrze zmierzone, powiedziałbym, że błąd wynosi 1, więc 4 plus lub minus 1. Co jest znaczące, to, że jest to ulepszenie. Ulepszenie może pewnego dnia wynieść 3, a może 1,5, ale ulepszenie kwazara jest bardzo solidne.
Fraser: Z jakiegoś powodu między nami a odległymi rozbłyskami gamma znajduje się więcej galaktyk niż między nami a kwazarami. Jak to możliwe? Są tak daleko od siebie.
Dr Prochaska: Tak, a przede wszystkim należy podkreślić, że z góry nie oczekujemy, że galaktyki, które losowo zbliżamy do kwazarów lub rozbłysków gamma, mają cokolwiek wspólnego z tym źródłem światła w tle. Znów znajdujemy kwazar w dużej odległości od nas, galaktyka jest także w pewnej odległości od nas, ale jednocześnie w bardzo dużej odległości od kwazara. Tak bardzo, że nie spodziewałbyś się żadnego skojarzenia; bez związku grawitacyjnego, bez elektromagnetycznego, bez fizycznego związku między galaktyką, którą identyfikujemy, a kwazarem. To samo dotyczy eksperymentu z rozbiciem promieniowania gamma. Impulsy gamma są w dużej odległości od nas, widzimy galaktyki w jego kierunku - są w dużej odległości od nas, ale także w dużej odległości od impulsu gamma. I znowu, nie mamy a priori żadnych oczekiwań dotyczących jakiegokolwiek fizycznego związku między tą galaktyką a leżącym za nią rozbłyskiem gamma. Z pewnością jest on oszałamiający, test jest dość prosty. Naszą natychmiastową reakcją jest, dobrze, co się dzieje?
Istnieją trzy uprzedzenia lub wyjaśnienia - w astronomii nazwalibyśmy je uprzedzeniami selekcyjnymi. A trzy kluczowe wyjaśnienia, oczywiste wyjaśnienia, które mogą dać ci ten wynik, są pierwsze: pył. Galaktyki, jak powiedziałem, mają materię w trzech fazach: w gwiazdach, gazie i pyle. Większość galaktyk lub prawdopodobnie wszystkie galaktyki mają w sobie pył. Kluczowym aspektem pyłu jest to, że gaśnie źródło tła. Więc posypujesz pyłem między tobą a kwazarem i sprawisz, że będzie słabszy. Wszystkie te galaktyki mają w sobie pył i można sobie wyobrazić brakujące kwazary, gdy przeprowadzimy tę ankietę na całym niebie. Galaktyki, które zawierają dużo pyłu, zasłonią kwazar i nigdy na niego nie spojrzysz. Nigdy nie zostanie policzony w twojej próbce. Ale rozbłyski gamma, które są wykrywane przy użyciu zupełnie innego podejścia, przy użyciu promieni gamma, nie byłyby tak wrażliwe na ten pył - nadal potencjalnie można wykryć rozbicie gamma i policzyć go w próbce. Skończyło się na przeliczeniu obiektów w próbce promieniowania gamma, z brakiem kwazarów z powodu pyłu. Powodem, dla którego nie uważamy, że odpowiedź jest taka, jest to, że dobrze rozumiemy, ile pyłu stanowią galaktyki, i nie wystarczy usunąć wystarczającą ilość kwazarów z próbki, aby zrekompensować różnicę 4 razy.
To jest wyjaśnienie numer 1. Numer 2 byłby taki, że nasze a priori założenie, że gaz nie ma nic wspólnego z rozbiciem promieniowania gamma lub kwazar jest błędny. Powiedziałem, że ten gaz znajduje się w dużej odległości od nas, od kwazara i wybuchu promieniowania gamma. Prawdopodobnie najtrudniejszym problemem w astronomii jest pomiar odległości. Tak naprawdę nie mierzę odległości gazu, ale mierzę przesunięcie ku czerwieni gazu, a to daje mi oszacowanie odległości, przy założeniu, że przesunięcie ku czerwieni wynika z ekspansji Wszechświata. Naprawdę przesunięcie ku czerwieni to tylko prędkość. Więc mierzę prędkość gazu, mierzę prędkość wybuchu promieniowania gamma. Wiem, że te dwie rzeczy są różne, co znam z absolutnym faktem naukowym. Zakładam, że różnica prędkości wynika z ekspansji Wszechświata, a zatem z odległości między obiektami. Ale możliwe jest, że rozbłyski gamma rzeczywiście wypluli ten gaz podczas wybuchu, powiedzmy, z bardzo dużymi prędkościami, tak że ma on inną prędkość niż sam rozbłysk promieniowania gamma, i to jest przyczyną różnicy w przesunięciu ku czerwieni i stąd powoduje, że mówię, że mają różnice odległości. Krótko mówiąc, wytłumaczeniem dla liczby 2 jest to, że rozbłyski gamma wyrzucają gaz z bardzo dużymi prędkościami, a my mierzymy ten gaz i nazywamy go galaktyką, podczas gdy w rzeczywistości jest to tylko gaz wyrzucany z rozbłysków gamma . W tej chwili jest to nadal opłacalna opcja. Kontrargumentem tego, i jest solidny, jest to, że w wielu przypadkach zidentyfikowaliśmy nie tylko gaz, ale także gwiazdy z galaktyki, które muszą być gospodarzem tego gazu. Zatem nie tylko gaz musiałby zostać wyrzucony, ale galaktyka musiałaby zostać wyrzucona przez rozbłysk promieniowania gamma, co zaczyna rozciągać wyobraźnię.
To prowadzi do drzwi numer 3, czyli soczewkowania grawitacyjnego. Galaktyki, cokolwiek o masie, mają wpływ na to, że obiekty znajdujące się za nimi są wizualnie jaśniejsze niż w rzeczywistości. Wydaje nam się, że mamy tutaj galaktyki, wiemy, że mamy koncentrację masy, więc jest całkiem możliwe, że wpływają one na jasność obiektu za nimi i powodują, że rozbłyski gamma są znacznie jaśniejsze niż w innym przypadku. Głównym powodem, dla którego obserwujemy rozbłyski promieniowania gamma, jest to, że mamy tam galaktykę. Potrzebujemy tam galaktyki, aby zobaczyć rozbłysk promieniowania gamma. A to efekt selekcji, w którym gdybyśmy nie mieli galaktyki, nie widzielibyśmy jej, co prowadzi do nadmiaru kwazarów, gdzie kwazary mogą być wystarczająco jasne bez galaktyk. A soczewkowanie grawitacyjne, jak zapewne można stwierdzić, nie jest czymś, nad czym bezpośrednio pracowałem, ale eksperci w tej dziedzinie twierdzą, że nie jest to prawdopodobne wytłumaczenie ani dominujące wyjaśnienie wyniku.
Fraser: Więc masz dość pomysłów.
Dr Prochaska: Tak, z pewnością omawialiśmy trzy oczywiste, te, które każdy by wymyślił, a mimo to mają dość mocne kontrargumenty. Inna grupa wpadła na jeszcze jeden czwarty pomysł, który moim zdaniem był dość sprytny, że kwazary mają różną wielkość niż rozbłyski promieniowania gamma. To jest trochę subtelne, jak to może zrobić dużą różnicę, ale powiedzieli, może to jest wyjaśnienie, ale my i inni wymyśliliśmy naprawdę mocne kontrargumenty przeciwko drzwiom numer 4 w tym momencie. 4 przyzwoite pomysły, które zostały zaproponowane, mają wady.
Fraser: Więc co dalej? Zakładam, że będziesz szukać więcej danych.
Dr Prochaska: Z pewnością chcę wykluczyć, że gaz jest związany z rozbłyskami gamma, że jest wystrzeliwany z rozbłysków gamma. Naprawdę chciałbym udowodnić, że z pewnością nie jest to prawdą, a sposobem na to jest identyfikacja rzeczywistej galaktyki i gwiazd związanych z gazem. Więc ludzie z naszego zespołu i innych zespołów wracają i szukają galaktyki, która faktycznie trzyma gaz. Gdybyśmy nie znaleźli galaktyk, myślę, że bardziej wiarygodne byłoby to, że gaz został wyrzucony przez rozbłysk promieniowania gamma. Na pewno jest wiele do zrobienia w badaniu związanych z nimi galaktyk. W tych samych liniach możemy wywnioskować, ile masy jest w galaktykach i lepiej przetestować hipotezę soczewkowania grawitacyjnego, a także dowiedzieć się, ile pyłu jest w galaktykach, aby przetestować hipotezę pyłu. Nawet gdy gram w nie, i myślę, że z pewnością powinniśmy dowiedzieć się tyle o galaktykach w kierunku rozbłysków gamma, aby zobaczyć, czy dzieje się coś zabawnego lub jakiekolwiek inne właściwości, które mogłyby wyjaśnić wynik. Inną oczywistą rzeczą do zrobienia, a zostanie to zrobione, jest po prostu poczekanie na pojawienie się kolejnych rozbłysków gamma i powtórzenie tego eksperymentu na większej liczbie linii wzroku. I tak obecnie działa ten kosmiczny teleskop NASA Swift, w którym dostaniemy 10, może nawet 100 razy więcej błysków gamma, na których możemy powtórzyć ten eksperyment i bardzo dobrze dowiedzieć się, jak statystycznie jest on istotny.
Fraser: Czy istnieje jakiś pomysł, który według ciebie może być możliwy?
Dr Prochaska: Jestem pewien, że będą artykuły napisane w tym kierunku. W tej chwili nie będzie to moja ulubiona opcja. Ale jestem naukowcem, realistą. Przynieśliśmy wiadomość, że mamy do czynienia z tym szczególnym odkryciem i bardzo ciężko zastanawialiśmy się, w jaki sposób przeprowadziliśmy badanie, robiliśmy jabłka z jabłkami najlepiej jak potrafiliśmy i myślę, że zrobiliśmy to dobrze. To rodzaj kroku 1. Krok 2, jako obserwator, czuję, że powinienem być w stanie wyjaśnić wynik, gdy już go uzyskamy. Jak powiedziałem, wymyśliliśmy trzy pomysły i niestety nie sądzę, aby któryś z nich utknął w tej chwili. Jeśli uda mi się zabić wszystkie pomysły i jeśli wynik dobrze poradzi sobie z następnymi 50 rozbłyskami gamma, w tym momencie musisz wrócić do swoich początkowych założeń; jednym z nich jest kosmologia, jaką znamy. Mówię, że jestem blisko tego, ale daj mi dwa lata, a jeśli rzeczy nie zmienią się od tego, co widzimy, tak, myślę, że musisz cofnąć się do kroku 0 w swoich założeniach dotyczących wszechświat.
