Tag: astronomia

Ciemna materia, czyli królowa jest naga

Wiesław Seweryn3 komentarze

Niewiele wiemy o ciemnej materii, właściwie tylko tyle, że musi istnieć, aby podstawowe prawa fizyki działały tak, jak powinny.

Wiadomo, że każda masa wytwarza pole grawitacyjne oddziałujące na wszystkie inne masy we Wszechświecie, także galaktyki i gromady galaktyk. I właśnie zaobserwowane anomalie ruchu tych obiektów zaburzyły spokojny sen fizyków. Okazało się, że oszacowana (dość dokładnie) masa galaktyki podstawiona do równań ruchu, przy zmierzonej prędkości obrotowej, jest dalece niewystarczająca, aby utrzymać jej spójność. Ruch obrotowy powinien rozproszyć gwiazdy na wszystkie strony, ponieważ siła grawitacji przeciwstawna sile odśrodkowej jest niewystarczająca. Dalece niewystarczająca. Tak dalece, że równania ruchu stabilizowałyby galaktykę dopiero przy kilkukrotnym zwiększeniu jej masy. Problem w tym, że tajemnicza substancja jest całkowicie niewykrywalna przez jakiekolwiek detektory.

Materia, którą znamy, jest tak zwaną materią barionową, czyli składa się z protonów, neutronów i elektronów. Drogą dedukcji wnioskujemy więc, że ciemna materia jest materią niebarionową. Ale czym konkretnie? Istnieje wiele hipotez, jedną z nich są WIMPS (ang. Weakly Interacting Massive Particles), czyli słabo oddziałujące masywne cząstki o masie 10-100 razy większej od masy protonu i reagujące z „normalną” materią tylko za pośrednictwem oddziaływań słabych i grawitacyjnych. Na przykład hipotetyczne neutralino, o wiele cięższe od neutrina i podobnie słabo wykrywalne. Problem w tym, że neutralino nie zostało jeszcze odkryte, ba, nie przewiduje go żadna teoria. Drugim kandydatem jest sterylne neutrino, czwarty, hipotetyczny rodzaj neutrina (znamy trzy rodzaje mające pokrycie w Modelu Standardowym: neutrino elektronowe, mionowe i taonowe). Zarówno neutralino jak i neutrino oddziałuje z materią tylko przez grawitację, a z tą mamy podstawowy problem – Model Standardowy nie ujmuje grawitacji jako oddziaływania. Pozostali kandydaci na budulec ciemnej materii to aksjon i “ciemny” foton (też cząstki hipotetyczne). Antymaterię, jako byt skrajnie reaktywny i agresywny wobec materii klasycznej, możemy już na starcie odrzucić.

Desperacja naukowców w poszukiwaniu ciemnej materii osiągnęła taki poziom, że bierze się nawet pod uwagę, iż prawo powszechnego ciążenia Newtona, a nawet ogólna teoria względności nie obowiązują w skali galaktycznej. Są nawet konkretne propozycje zmodyfikowania dynamiki Newtona lub OTW, aby pasowały do obserwacji. Jedno, co wiemy o ciemnej materii, to to, że ma masę, ponieważ wytwarza pole grawitacyjne. Drugie, że porusza się znacznie wolniej od światła.

Trochę historii

Autorem koncepcji ciemnej materii jest Fritz Zwicky, który odkrył anomalie w ruchu galaktyk w obrębie gromady galaktyk. Galaktyki poruszały się zbyt szybko jak na masę, którą posiadały, a gromada się nie rozpadała. Aby wytłumaczyć tę nienormalność, zaproponował istnienie „ciemnej materii”, której oddziaływanie grawitacyjne miało dostosować obserwacje do równań ruchu. Zwicky był uznanym, wielce kreatywnym w swoich pomysłach astronomem. Dość powiedzieć, że jest odkrywcą 120 supernowych, wymyślił i upowszechnił nazwę „supernowa”, pierwszy odkrył gwiazdę neutronową i opisał zjawisko soczewkowania grawitacyjnego.

Istnienie i oddziaływanie ciemnej materii w obrębie jednej galaktyki odkryła Vera Cooper Rubin, amerykańska astronom(-ka). Pod koniec lat osiemdziesiątych XX. wieku obserwując ruch wirowy Galaktyki Andromedy zauważyła, że materia galaktyki bardziej odległa od centrum porusza się równie szybko jak obiekty leżące bliżej środka. Jedynym wytłumaczeniem było istnienie nieznanej i niewidocznej ciemnej materii na jej obrzeżach. Odkrycie Rubin zasługiwało na Nobla, niestety, była kobietą i Nobla nie dostała. Decyzje Komitetu Noblowskiego bywały w przeszłości dość kontrowersyjne. Także Mirosław Dworniczak pisał o pomyłkach Komitetu Noblowskiego. Zachęcam też do lektury tekstów o kobietach w nauce: część 1, część 2, część 3.
O wadze odkrycia Very Rubin i nienagrodzeniu jej Noblem wypowiedziała się amerykańska astronom(-ka) Emily Levesque:
„Istnienie ciemnej materii całkowicie zrewolucjonizowało naszą koncepcję wszechświata […]; ciągłe wysiłki mające na celu zrozumienie roli ciemnej materii doprowadziły do powstania całych dziedzin nauki w astrofizyce i fizyce cząstek elementarnych. W testamencie Alfreda Nobla nagroda z fizyki jest uznawana za „najważniejsze odkrycie”. Jeśli ciemna materia nie pasuje do tego opisu, to nie wiem, co będzie.”

Ryc. 1 Vera Rubin. Źródło: [4]

Poszukiwania

Trwają (na razie bezskuteczne).

Pomysł 1. Skoro cząstki ciemnej materii są wielokrotnie cięższe od protonu, to w zderzeniu ze zwykłą materią powinny zostawiać ślad, na przykład wyżłobienie w skale. Dotychczas nie trafiono na żaden ślad tego typu.

Pomysł 2. (rokujący) Skupiska ciemnej materii powinny zaginać światło, czyli tworzyć soczewki grawitacyjne. I rzeczywiście, odnaleziono wiele miejsc, gdzie występuje mikrosoczewkowanie grawitacyjne pomimo braku skupisk materii. W 2016 roku zespół kierowany przez Van Dokkuma odkrył galaktykę zwaną Dragonfly 44, która wydaje się składać prawie wyłącznie z ciemnej materii. Z drugiej strony od 2018 roku astronomowie odkryli kilka galaktyk, które wydają się całkowicie pozbawione ciemnej materii.

Pomysł 3. Budowa bardziej czułych detektorów neutrin. Pod powierzchnią Antarktydy zbudowano wielki detektor neutrin Neutrino IceCube, którego zadaniem jest upolowanie sterylnego neutrino. Na razie bez powodzenia.

Ryc. 2 Schemat detektora IceCube. Licencja: Wikimedia Commons

Pomysł 4. Eksperymenty nakierowane na wykrycie cząstek ciemnej materii w najpotężniejszych zderzaczach cząstek. Badania tego typu są prowadzone w CERN-owskim Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Pomysł 5. Obserwacje w zakresie promieniowania gamma. Teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope należący do NASA stworzył gamma-mapę jądra Drogi Mlecznej. Potwierdził tym samym nadmiar promieniowania gamma w tym obszarze. Obserwacje te przeczą przewidywaniom naukowym, za to są zgodne z niektórymi modelami uwzględniającymi ciemną materię.

Pomysł 6. Kosmiczny teleskop Jamesa Webba, obserwujący Kosmos w zakresie promieniowania podczerwonego, a tym samym mogący zajrzeć głębiej „wgłąb czasu”, bliżej momentu Wielkiego Wybuchu, może przyjrzeć się wczesnej ewolucji galaktyk. Bo od anomalii ruchu galaktyk wszystko się zaczęło.

Pomysł 7. Misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej zaprojektowana specjalnie w celu poszukiwań ciemnej materii. Misja ma na celu dokładne zmapowanie materii Wszechświata, a w szczególności rozmieszczenie galaktyk.

Pomysł 8. Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła. Sonda Planck spędziła w punkcie Lagrange’a kilka lat na dokładnym mapowaniu mikrofalowego promieniowania tła, które jest pozostałością po Wielkim Wybuchu. Wykryte niejednorodności dostarczyły pewnych wskazówek co do rozmieszczenia ciemnej materii we Wszechświecie.

Pomysł 9. Badanie promieni kosmicznych. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej umieszczono spektrometr magnetyczny alfa (AMS), wykrywający antymaterię.
„Zarejestrowaliśmy nadmiar pozytonów i ten nadmiar może pochodzić z ciemnej materii” – powiedział Samuel Ting, laureat Nagrody Nobla z Massachusetts Institute of Technology. „Ale w tej chwili nadal potrzebujemy więcej danych, aby upewnić się, że pochodzi ona z ciemnej materii, a nie z jakichś dziwnych źródeł. To zajmie nam jeszcze kilka lat”.

Pomysł 10. Poszukiwania śladów zderzenia cząstek WIMP z atomami ksenonu. Eksperymenty takie przeprowadzono w Południowej Dakocie (projekt LUX) i we Włoszech (LNGS XENON1T). Jak dotychczas niczego nie wykryto.

Trochę liczb

Szacunki co do ilości i rozmieszczenia ciemnej materii we Wszechświecie pozwalają na pewne projekcje w stosunku do skali ziemskiej. Na podstawie ruchu ziemskich satelitów szacuje się, że masa Ziemi jest o około 0,005-0,006% większa niż dotychczas zakładaliśmy.

Według ostatnich szacunków Wszechświat w 68% składa się z ciemnej energii, 27% to ciemna materia, a pozostałe 5% to normalna materia (obserwowalna). Takie proporcje zmuszają więc do zastanowienia się, która materia jest „normalna”, a która „nienormalna”.

Ryc. 3 Rozmieszczenie galaktyk przypomina sieć z węzłami. Źródło: [1]

Jakie mamy teorie związane z ciemną materią?

Mamy wiele teorii, wszak wyobraźnia nasza jest nieograniczona, a ciemna energia i ciemna materia mogą służyć jako zapchajdziury wszędzie tam, gdzie klasyczne teorie są niewystarczające.

Teoria 1. Ciemna energia jest właściwością przestrzeni. Wiadomo przecież, że pusta (w sensie pustki absolutnej) przestrzeń nie istnieje. Jedna z wersji teorii grawitacji Einsteina, ta zawierająca stałą kosmologiczną, mówi, że „pusta przestrzeń” może posiadać własną energię. Ponieważ energia ta jest właściwością samej przestrzeni, nie ulega rozrzedzeniu w miarę jej rozszerzania się. W miarę jak pojawia się coraz więcej przestrzeni, pojawia się więcej tej energii przestrzeni. W rezultacie ta forma energii spowodowałaby coraz szybsze rozszerzanie się Wszechświata. Stała kosmologiczna, pomysł Einsteina na coraz szybszą ekspansję Wszechświata, przez kilkadziesiąt lat była krytykowana jako nie mająca podstaw teoretycznych. Dopiero w ostatnich latach wróciła do łask i może być pośmiertnym tryumfem Einsteina i jego wkładem w nowoczesną kosmologię.

Ryc. 4 Tempo ekspansji Wszechświata jest coraz szybsze; oczywiście za sprawą ciemnej energii.
Źródło: [3]

Teoria 2. Innym wyjaśnieniem ciemnej energii jest założenie, że jest to nowy rodzaj dynamicznego pola energii wypełniającego całą przestrzeń, którego wpływ na ekspansję wszechświata jest odwrotny do wpływu materii i normalnej energii. Niektórzy teoretycy nazwali to „kwintesencją”, czymś na kształt piątego elementu greckich filozofów.
Teoria 3. Teoria grawitacji Einsteina nie jest poprawna. Czy rozwiązaniem problemu ciemnej energii jest nowa teoria grawitacji?

Podsumowanie

Podsumowanie jest bardzo krótkie: wiemy, że nic nie wiemy, nie wiemy gdzie szukać, nie mamy oparcia w żadnej teorii, szukamy na oślep. Ciemna materia i ciemna energia są największą zagadką kosmologii. Wiemy tylko tyle, że jest coś na rzeczy.

Źródła:

  1. “Czym jest ciemna materia” https://www.space.com/20930-dark-matter.html
  2. “Ciemna materia jak na razie poza granicami naszego poznania” https://mlodytechnik.pl/technika/28680-ciemna-materia-jak-na-razie-poza-granicami-naszego-poznania
  3. “Ciemna energia, ciemna materia” https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy
  4. “Jak Vera Rubin potwierdziła istnienie ciemnej materii” https://www.astronomy.com/science/how-vera-rubin-confirmed-dark-matter/
  5. Wikipedia
Jupiter by NASA Juno

Co by było, gdyby… (6)

Tatiana Pandora Saternus4 komentarze

Jowisz zniknął z naszego układu słonecznego lub go nigdy nie było?

Jedna z najpiękniejszych planet, ogromny Jowisz. Gazowy olbrzym, który gości na naszym niebie tak wyraźnie, że można go oglądać gołym okiem, choć znajduje się aż 5,9 au od nas. Jego złożona głównie z wodoru i helu atmosfera zachwyca pięknymi chmurami z… wody i amoniaku, które przesuwają się po gazowej powierzchni planety o masie ponad dwa razy większej niż masa wszystkich pozostałych planet łącznie.

Według teorii „zwrotu przez sztag” planeta uformowała się w odległości około 3,5 au od Słońca, a następnie zaczęła migrować w kierunku centrum Układ Słonecznego, by – pod działaniem Saturna – zawrócić. Z tego powodu nasz układ słoneczny nie ma ani gorącego Jowisza, ani ogromnych skalistych planet, a po orbicie dalszej od Ziemi wędruje mniejsza od niej planeta (Mars). Ale gdyby tak Jowisza nie było nigdy lub nagle zniknął? Zróbmy mały eksperyment myślowy.

Zacznijmy od tego, że gdyby ktoś nagle zabrał nam Jowisza, na nas samych miałoby to niewielki natychmiastowy wpływ, jeśli chodzi o orbitę: oddziaływanie grawitacyjne planety na Ziemię wynosi 1/25 000 oddziaływania Słońca, w naszej części układu wiele by się nie zmieniło. Oczywiście ogromna różnica zaistniałaby przede wszystkim w otoczeniu księżyców Jowisza i pasie planetoid, pozbawionych przyciągania planety. Jak już wiemy, czym dalej od Słońca, tym ważniejsze jest przyciąganie obiektów w pobliżu, więc zaburzenie to raczej spowodowałoby wyrzucenie samotnych księżyców na zewnątrz układu. Z czasem jednak w stronę Ziemi trafiałoby więcej kosmicznych „śmieci”, których po drodze nie zebrałyby pozostałe lodowe olbrzymy i Saturn. Trzeba jednak przyznać, że czasami Jowisz popełnia błędy i zdarza się, że popycha w naszą stronę na przykład komety lub asteroidy, które bez niego wcale nie trafiłyby w naszą okolicę (dlatego właśnie nie mamy dinozaurów). Ziemia zatem by przetrwała, nieco bardziej zagrożona, ale cały nasz układ zmieniłby się nieco: obserwatorzy z innych galaktyk zauważyliby, że Słońce mniej się „chyboce”. Widoczna byłaby też drobna, postępująca z czasem, dysharmonia orbit (zwłaszcza planet zewnętrznych), jednak nagły brak Jowisza nie spowodowałby jej od razu. Z czasem planety zbliżyłyby się do gwiazdy, a orbity uległyby skróceniu (urodziny mielibyśmy każdego roku coraz wcześniej).

A tak przy okazji, zauważylibyśmy brak tej planety po ponad 32 minutach, bo tyle czasu światło wędruje z Jowisza na Ziemię.

A gdyby nasz układ słoneczny uformował się bez wielkiej gazowej planety? Wiemy już, że według teorii zwrotu przez sztag, Jowisz powędrował w kierunku Słońca: dzięki temu mocno przerzedził kosmiczne otoczenie, trochę tak, jakby wziąć maczetę i przedrzeć się przez fragment dżungli: cofając się, również „odkurzył po sobie”. Bez tego manewru Ziemia byłaby znacznie częściej poddawana kolizjom ze znajdującymi się w pobliżu obiektami, a dodatkowo narażona na zderzenia z tymi przypadkowo skierowanymi do wnętrza układu słonecznego (choć takie sytuacje byłyby rzadsze, bo brakłoby napędzającego je Jowisza, jakiś plus w tym wszystkim jest).

Ostatnio naukowcy stwierdzili też, że być może bez obecności Jowisza skaliste planety w ogóle by się nie uformowały w takim kształcie, jak obecnie: mielibyśmy ich być może więcej, byłyby większe i niespecjalnie nadające się do zamieszkania, bo tzw. strefa Złotowłosej mogłaby nie istnieć w obecnym kształcie.

Pozostaje nam cieszyć się widokiem Jowisza, na przykład obrazami serwowanymi regularnie przez sondę Juno.

NASA

Uh, oh… czyli ostatnie słowa Mike’a J. Smitha

Tatiana Pandora Saternus1 Comment

Historia promu Challenger

Ostatnie nagrane z kabiny Challengera słowa znajdziemy w zapisie dokumentującym ostatni start wahadłowca, misję STS-51-L, 28 stycznia 1986 roku.

T+73.000 (approximate)

Smith, intercom: “Uh oh…” This is the last comment captured by the crew cabin intercom recorder. Smith may have been responding to indications on main engine performance or falling pressures in the external fuel tank.

Krótko przedtem z centrum kontroli lotów poszła „okejka” na zwiększenie mocy silników (rakieta po starcie rozpędza się, osiągając w pewnym momencie tzw. max Q, punkt maksymalnego ciśnienia dynamicznego – żeby się nie rozpadła, przed jego osiągnięciem ograniczana jest moc silników, która następnie jest zwiększana, nazywamy to „throttle up”). W 74 sekundzie od startu orbiter rozpadł się na fragmenty, które zaczęły, na oczach zgromadzonych widzów, dziennikarzy, rodzin i pracowników NASA, majestatycznie spadać z nieba.

Dezintegracja promu Challenger. Źródło: Kennedy Space Center / Wikimedia Commons. Domena publiczna.

Co przyczyniło się do katastrofy? W toku postępowania wyjaśniającego prowadzonego przez NASA zidentyfikowano dwa główne problemy: wadliwy o-ring oraz, niestety, błędy decyzyjne ze strony szefów NASA i kontroli lotów, do których doprowadziła ogromna presja na start: misja STS-51-L miała być wyjątkowa ze względu na obecność na pokładzie orbitera nauczycielki, Christy McAuliffe. Misja NASA, przybliżanie zwykłym ludziom kosmosu, miała ziścić się podczas właśnie tego tragicznego lotu – paradoksalnie właśnie to w dużej mierze przyczyniło się do tragedii: konieczność wykazania się, poparcia składanych do budżetu wniosków, zademonstrowania podatnikowi, że wydatki na podbój kosmosu nie są oderwane od rzeczywistości, ale służą zwykłym ludziom.

Problemy z o-ringami nie były nowe: po każdym locie starannie oglądano wszystkie elementy orbitera i odzyskane SRB: już w 1984 roku znaleziono uszczelkę, która kompletnie nie spełniła swojego zadania (jak większość elementów zużywalnych, o-ringi były też redundantne, czyli nadmiarowe – w połączeniach znajdowały się zawsze dwa). Firma Thiokol, która odpowiadała za produkcję uszczelek, stworzyła nowy wzór o-ringów, jednak proponowany nowy system był zbyt drogi, a do tego pojawił się dopiero pod koniec 1985 roku, wiec nie było żadnych szans na zastosowanie go w SRB Challengera.

I być może gdyby Larry Mulloy posłuchał chociaż zdecydowanych sprzeciwów inżynierów Thiokol dotyczących startów w niskich temperaturach, a sama firma twardo obstawała przy przesunięciu planowanej daty startu, a nie poddała się w końcu, rezygnując ze swojej decyzji, Challenger stałby teraz w którymś muzeum Ameryki, a program kosmiczny nie straciłby wspaniałych astronautów. To już jednak historia.

OV-099, czyli Challenger, był orbiterem… z przypadku. Jako STA-099 miał służyć wyłącznie celom testowym, jako pierwszy statek kosmiczny zbudowany z nowoczesnych lekkich materiałów. Pamiętajmy, że były późne lata 70. ubiegłego wieku, modelowanie komputerowe miało wiele ograniczeń, więc po prostu wytrzymałość testowano „na żywo”, a raczej na ziemi lub podczas krótkich lotów testowych. W 1979 roku NASA, zadowolona z osiągów i możliwości Challengera, zwróciła się do firmy Rockwell, podpisując kontrakt na przebudowanie promu tak, by mógł trafić na orbitę. Przebudowa i testy trwały trzy lata, a w 1982 roku Challenger trafił na Florydę do Kennedy Space Center.

Był to kolejny statek kosmiczny, którego nazwa nawiązywała do statku morskiego, a konkretnie do brytyjskiego HMS Challenger, który wsławił się rejsami po Pacyfiku i Atlantyku w latach 70. XIX wieku. Orbiter dotrzymał „danego słowa” – wiele misji Challengera i jego załóg było przełomowych, a najważniejszym osiągnięciem były fantastyczne misje Spacelab.

Czas na nieco statystyki:

Liczba misji: 9 (misja 10 zakończona katastrofą)

Misje Spacelab: trzy, w tym pierwsza rzeczywista misja (Spacelab-1 poleciał testowo dwa lata wcześniej z STS-9 [Columbia]) Spacelab-3: dla zmyłki Spacelab-2 na orbitę wyniósł również Challenger w sierpniu 1985 r. Te dwa loty zakończyły fazę testowania działania laboratorium w przestrzeni kosmicznej, ale o Spacelab jeszcze niedługo napiszę więcej. Warto wspomnieć, że podczas postępowania wyjaśniającego katastrofę stwierdzono taką samą usterkę o-ringu, która później przyczyniła się do tragedii.

STS-8: pierwsza misja ze startem i lądowaniem w nocy. Nocne starty to zawsze gratka dla fotografów.

STS-8 podczas startu. Źródło: NASA. Domena publiczna.

STS-6: pierwsza misja z wyjściem astronauty w przestrzeń kosmiczną. Rozpoczęła się 4 kwietnia 1983 r. i trwała 5 dni, 23 minuty i 42 sekundy. Podczas wyjścia w przestrzeń kosmiczną Musgrave i Peterson testowali EMU, czyli Extravehicular Mobility Unit – skafander, którego konstrukcja niewiele w zasadzie się od tamtego czasu zmieniła. W 1993 roku Musgrave wziął też udział w misji serwisowej teleskopu Hubble’a i z tej misji pochodzi jedno z najwspanialszych selfie z teleskopem.

F. Story Musgrave podczas misji serwisowej w 1993 r. Źródło: NASA. Domena publiczna.

STS-7: pierwsza misja z kobietą, Sally Ride, na pokładzie.

Sally Ride na pokładzie Challengera. Źródło: NASA. Domena publiczna.

Katastrofa Challengera odbiła się szerokim echem nie tyko w mediach, ale także w branży – ale czy wyciągnęliśmy z niej właściwe wnioski? Kto wie.

Najlepszy, rzetelny dokument: https://youtu.be/3NdlIiDiCZ4