II Liceum Ogólnokształcące im. A. Frycza Modrzewskiego we Włodawie Autor: Emilia Sidor Opiekun: mgr Mirosław Trociuk Współczesny obraz Wszechświata Bibliografia: Andrzej Woszczyk,,,Współczesny obraz Wszechświata, Nauczanie przedmiotów przyrodniczych, 2001 r., nr 2, str. 33-38 Andrzej Woszczyk,,,Astronomia w nowym tysiącleciu, Urania, 2001 r., nr 1, str. 4-8 Marek Demiański,,,Nowy, wspaniały Wszechświat, Wiedza i życie, 1999 r., nr 6, str. 34-37 Stuart Clark,,,Wszechświat w obiektywie, Wydawnictwo RTW, 1997 r. Włodawa 2002 Emilia Sidor 1
Początki, ekspansja i wiek Wszechświata W XX wiek wkraczano wyobrażając sobie, że cały Wszechświat to ogromne skupisko słońc Droga Mleczna, złożona z około 140 mld gwiazd, poza granicami której rozciąga się nieskończona, statyczna, pusta przestrzeń. Badając rozkład gwiazd na sferze niebieskiej, wywnioskowano, że Droga Mleczna ma kształt spłaszczonego dysku o średnicy około 160 tys. lat świetlnych. Alfa Centauri, najbliższa nam gwiazda, znajduje się w odległości 4 lat świetlnych. Słońce będące dość typową gwiazdą, jest w odległości 27 tys. lat świetlnych od środka Galaktyki. Gwiazdy, gaz i pył znajdujące się w dysku galaktycznym krążą wokół centrum Galaktyki. Analizując ten ruch, można oszacować masę dysku: okazało się, że składa się on z około 60 mld gwiazd. Wiek XX zakończyliśmy w zupełnie innym Wszechświecie. Dzięki coraz lepszym teleskopom i coraz doskonalszym metodom obserwacyjnym astronomowie stwierdzili, że Droga Mleczna jest tylko jedną z iście,,astronomicznej liczby galaktyk. Obecnie szacuje się, że w obserwowalnym Wszechświecie jest ich około 120 mld. Wszechświat okazał się znacznie większy i ciekawszy niż przypuszczano. Ma niewyobrażalne rozmiary i ciągle się rozszerza. Galaktyki oddalają się od siebie. Taki wniosek wypływa z rozwiązania równań teorii względności Einsteina, które leżą u podstaw współczesnych teorii budowy Wszechświata. Sam Einstein początkowo uważał, że Wszechświat jest pusty i statyczny. I dopiero Aleksander Friedman udowodnił, że krzywizna czasoprzestrzeni Einsteina może się zmieniać i wobec tego Wszechświat może podlegać wielkoskalowym zmianom, może być ewolucyjny. Zaś Edwin Hubble obserwacyjnie potwierdził, że galaktyki rzeczywiście oddalają się i to z prędkościami proporcjonalnymi do ich wzajemnej odległości. Oznacza to, że rozmiary Wszechświata systematycznie powiększają się. Gdybyśmy spojrzeli na ten proces wstecz, odwracając kierunek biegu czasu, to w skończonym czasie cała materia Wszechświata musi się znaleźć z powrotem w jednym punkcie dzisiaj nazywanym osobliwością początkową. Friedman nie zawahał się nazwać czasu, jaki nas dzieli od osobliwości początkowej,,,czasem jaki upłynął od początku świata i oszacował nawet wiek Wszechświata na około10 mld lat. Dziś określamy ten wiek na 12 15 mld lat, ale zależy on od stałej Hubble a i średniej gęstości materii we Wszechświecie. Są to dwa podstawowe parametry określające model kosmologiczny, które okazały się bardzo trudne do wyznaczenia i dopiero ostatnie lata przyniosły ich rozsądnie wiarygodne wartości. Przyjmowana dzisiaj wartość stałej Hubble a wynosi H 0 =65± km/smpc, a średnia gęstość materii Wszechświata ρ materii =2 10-30 g/cm 3. Wynikająca z tego tzw. stała kosmologiczna jest najprawdopodobniej różna od zera, co sprawia, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Jesteśmy przekonani, że znajdujemy się w fazie ekspansji zamkniętego i skończonego Wszechświata. Nie potrafimy dziś powiedzieć, czy i kiedy ekspansja zmniejszy swoje tempo, zatrzyma się i przejdzie do fazy kontrakcji. Gdyby tak się stało, to nasz Wszechświat powróciłby do stanu pierwotnej ognistej kuli i osobliwości początkowej, z którego nowym,,wielkim wybuchem rozpocząłby nowe wcielenie Nowy Wszechświat. Główna trudność polega na niepewności określenia masy, a ściślej średniej Emilia Sidor 2
gęstości Wszechświata. Występuje tutaj problem,,ukrytej masy Wszechświata, którą poszukujemy w postaci np. brązowych karłów, czarnych dziur i nawet,,masywnych neutrin. Prawie wszyscy astronomowie przekonani są, że Wszechświat rzeczywiście powstał w procesie gwałtownego,,wielkiego Wybuchu. Z początkowej fazy wielkich gęstości i temperatur przeszedł fazy: hadronową, promienistą, tworzenia się galaktyk i na końcu gwiazd i planet, a rozszerzając się systematycznie stygł. Aktualne oceny najczęściej wydają się wskazywać na to, że nasz Wszechświat ma 14 15 mld lat. Stąd też otrzymujemy ograniczenie rozmiaru możliwej do zaobserwowania jego części. Wynosi on około 15 mld lat świetlnych. Instrumenty badawcze współczesnej astronomii Kopernik oglądał świat tylko swoimi oczyma. Budował instrumenty, rozwijał aparat matematyczny, mierzył i rozważał kierunki promieniowania ciał niebieskich. Dzisiaj mierzymy zarówno kierunki do ciał niebieskich, jak i zawartość fizyczną docierającego do nas promieniowania oraz wyciągamy wnioski dotyczące kinematyki i dynamiki ciał niebieskich oraz natury fizycznej pojedynczych gwiazd, układów gwiazdowych, galaktyk i całego Wszechświata. Prowadzimy ten,,podgląd i,,podsłuch Wszechświata we wszystkich zakresach widma elektromagnetycznego od najkrótszych fal wysokoenergetycznego promieniowania gamma, poprzez promieniowanie rentgenowskie, ultrafioletowe, widzialne podczerwone i mikrofalowe do radiowego. Ale dopiero od niedawna mamy możliwość badania otaczającego nas świata we wszystkich jego barwach i stanach skupienia. Robimy to budując coraz większe i doskonalsze teleskopy pracujące w różnych zakresach długości fal, które lokujemy w najbardziej korzystnych dla obserwacji miejscach na Ziemi oraz w przestrzeni kosmicznej, na orbitach wokółziemskich lub wokółsłonecznych i pojazdach międzyplanetarnych. Od przeszło 10 lat krąży wokół Ziemi teleskop kosmiczny Hubble a, który z precyzją 50 razy większą niż jest to możliwe z powierzchni Ziemi,,wpatrzony jest w najdalsze peryferie Wszechświata. Na Ziemi buduje się wiele dużych teleskopów optycznych i radiowych. Największym teleskopem będzie, budowany w Chile,,,bardzo duży teleskop (VLT - Very Large Telessope) złożony z 4 teleskopów o średnicy 8,2 metrów i kilku mniejszych, który będzie miał powierzchnię zbierającą równoważną teleskopowi o średnicy lustra 16 m, a pod względem precyzji widzenia będzie równoważny teleskopowi przeszło 200 metrowemu. Od szeregu lat na falach radiowych efekt dużej precyzji widzenia osiąga się poprzez równoczesne obserwacje danego obiektu przez wiele radioteleskopów ustawionych w różnych miejscach na świecie nazywa się to interferometrią na bardzo długich bazach, z angielskiego VLBI (Very Long Base Interferometry). Przed paru laty wprowadzono na orbitę 8-metrowy radioteleskop HALCA, który wraz z ok.40 radioteleskopami naziemnymi utworzył wirtualny megateleskop VSOP o średnicy 3 razy większej od średnicy Ziemi. Obrazy przez niego Emilia Sidor 3
utworzone mają rozdzielczość 30 mikrosekund łuku, czyli 10 razy lepszą niż ma międzykontynentalny system VLBI i 1000 razy lepszą, niż ma w zakresie optycznych długości fal teleskop kosmiczny Hubble a. Fot. 1. Obserwatorium VLT na górze Paranal w Chile. Na tej samej pustyni Atacama w Chile, na którym stoi teleskop VLT, na położonym na wysokości ok.5000m.npm płaskowyżu Chajnantor w ciągu najbliższych kilku lat powstanie wielkie międzynarodowe obserwatorium radioastronomiczne ALMA, złożone z 64 anten radiowych o średnicy 12m rozstawionych na przestrzeni ok.10 km 2. Na krótkich falach radiowych teleskop ten będzie obserwować najdalsze regiony Wszechświata, formowanie się nowych gwiazd i planet, kwazary, czarne dziury i inne zjawiska kosmiczne. A nawet będzie zdolny do wykrywania ewentualnych śladów życia organicznego w przestrzeni pozaziemskiej. Astronomowie budują duże teleskopy z dwóch zasadniczych powodów. Po pierwsze, chcą zebrać jak największą ilość promieniowania od bardzo słabych obiektów, położonych w odległych głębiach Kosmosu. Ilość zebranej energii jest wprost proporcjonalna do powierzchni zbierającej teleskopu, czyli kwadratu średnicy jego lustra D 2. Po drugie chcą te obiekty,,widzieć lepiej, to znaczy z możliwie największą zdolnością rozdzielczą w całym zakresie widma. Zaś zdolność rozdzielcza jest tym lepsza, im większa jest średnica D. Utworzony przez teleskop rzeczywisty obraz ciała niebieskiego poddawany jest analizie: mierzy się jego jasność, kieruje do spektrografu dla przeprowadzenia analizy widmowej i bada przy pomocy polarymetru. We współczesnych teleskopach wykorzystuje się dwa nowe sposoby formowania obrazu. Pierwszy polega na utrzymaniu w czasie rzeczywistym obserwacji kształtu głównego zwierciadła teleskopu w taki sposób, aby utworzony przezeń obraz gwiazdy miał możliwie najmniejsze rozmiar. Tę metodę nazywamy,,optyką aktywną. Budowane dzisiaj 8-metrowe teleskopy np. wieloskładnikowego teleskopu VLT mają lustra o grubości zaledwie 17cm, spoczywające na setkach ruchomych, sterowanych Emilia Sidor 4
komputerem wsporników. Po komputerowej analizie jakości obrazu, wsporniki dopasowują kształt zwierciadła tak, aby obraz gwiazdy tworzony w ognisku był minimalny, aby w najmniejszej powierzchni obrazu zebrać możliwie największą ilość światła. Drugą metodą jest tzw. technika optyki adaptywnej, polegająca na usunięciu zaburzeń frontu fali docierającej do teleskopu. W tej metodzie jedno z luster teleskopu systemu coude ulega deformacji w miarę, jak zmienia się zaburzony front fali świetlnej docierającej od obserwowanego obiektu. Lustro adaptywne,,prostuje front fali, dzięki czemu po skupieniu w ognisku powstaje obraz o dużo lepszej jakości. Obie opisywane tutaj techniki sprawiły między innymi, że stało się możliwe dostrzeżenie pojedynczych gwiazd w centrum gęstych gromad gwiazdowych przy pomocy naziemnych teleskopów. Rys. 1. Schemat systemu optyki adaptywnej teleskopu VLT. Rys. 2. Zasada działania systemu optyki adaptywnej. Po lewej front fali świetlnej i przykładowy obraz w zwykłym teleskopie; po prawej ten sam obraz poprawiony dzięki optyce adaptywnej. Emilia Sidor 5
Wszechświat jak laboratorium fizyczne Wszechświat to wielkie i wspaniałe laboratorium fizyczne. Znajdujemy w nim ekstremalne warunki: najmniejsze i największe z możliwych odległości, najmniejsze i największe gęstości, ekstremalne temperatury i przeróżne stany materii. W przestrzeniach kosmicznych gęstości materii zawierają się między 10-23 10 18 kg/m 3, temperatury 2,7 10 11 K, indukcja magnetyczna sięga 10 11 T, a pola grawitacyjne mają wartość 10 12 kg/m 3. Na Ziemi najlepsza próżnia wyraża się wartością 10-10 kg/m 3, a pole magnetyczne sięga zaledwie 6 T (chwilowo 200 T). Astronomowie badają materię w tych ekstremalnych warunkach. Sprawdzają działanie praw fizyki w warunkach kosmicznych, pomagają odkrywać nowe prawa i nowe stany fizykochemiczne materii. Kierując teleskop na różne obiekty, można badać różne stany materii, a sięgając do coraz dalszych obiektów, sięga się do coraz bardziej wczesnych epok życia naszego Wszechświata. Wypełniony jest on obiektami, które mają bardzo różną naturę. Różne są mechanizmy promieniowania i w różnych zakresach długości fal promieniowania elektromagnetycznego różne obiekty objawiają nam swoje istnienie i swój,,charakter. Mamy więc źródła wysokoenergetycznego promieniowania gamma, źródła promieniowania rentgenowskiego, aktywne galaktyki i gwiazdy promieniujące głównie w ultrafiolecie, świat gwiazd i galaktyk, który poznawać możemy naszym zmysłem wzroku w świetle widzialnym, obiekty podczerwone, mikrofalowe i radiowe. Różnorodność jest ogromna, dlatego też w tych różnych domenach spektakularnych używać musimy różnych instrumentów zbierających to promieniowanie i różnych odbiorników je rejestrujących. Najważniejsze odkrycia astronomiczne XX wieku Oto dwanaście najważniejszych odkryć astronomicznych lat 90-tych minionego wieku: Odkrycie planet wokół innych gwiazd; obecnie znamy takich gwiazd ok.50 Wyznaczenie struktury wewnętrznej Słońca z obserwacji jego aktywności sejsmicznej. Te rezultaty potwierdziły modele teoretyczne struktury wewnętrznej Słońca z dokładnością do 0,1% i potwierdziły hipotezę, że obserwowany deficyt liczby neutrin ze Słońca bierze się stąd, że ich masa nie jest zerowa. Odkrycie Pasa Kuipera, czyli dużej grupy małych, prawdopodobnie pierwotnych ciał w zewnętrznych częściach Systemu Słonecznego, które 50 lat temu były przewidywane przez rozważania teoretyczne. Pas Kuipera jest prawdopodobnie źródłem większości krótkookresowych komet i zawiera,,zapis wczesnej historii powstania naszego systemu planetarnego. Obserwacje spadku komety Shoemaker-Levy na Jowisza. Stanowiły one dramatyczna ilustrację potencjalnych skutków podobnego spadku na Ziemię. Emilia Sidor 6
Odkrycie,,brązowych karłów gwiazd zimnych i zbyt małych, aby utrzymać w ich wnętrzu procesy reakcji jądrowych. Odkrycie zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego, przewidywanego teoretycznie, w którym jasność gwiazd tła jest wzmocnione poprzez efekty grawitacyjne wywołane obiektami o masie rzędu masy Słońca. Odkrycie wybuchów promieniowania gamma bardzo odległych obiektów i stwierdzenie, że powodują one poświatę, czyli świecenie w innych długościach fali. Przekonanie o istnieniu masywnych czarnych dziur w jądrach galaktyk, z Drogą Mleczną włącznie, co potwierdziłoby wcześniejsze teoretyczne przewidywania, że takie czarne dziury są dosyć powszechne we Wszechświecie. Odkrycie młodych galaktyk z przesunięciem ku czerwieni, świadczącymi o dramatycznej ewolucji od wczesnego Wszechświata do chwili obecnej. Odkrycie drobnej fluktuacji mikrofalowego promieniowania tła, stanowiącego pozostałość po Wielkim Wybuchu w skali od milionów do miliardów lat światła, które stanowiły zalążki tworzenia się kolejnych struktur Wszechświata. Wyznaczenie tempa ekspansji Wszechświata z dokładnością bliską 10%. Znalezienie argumentów przemawiających za tym, że Wszechświat jest,,płaski, jak to przewidywały inflacyjne teorie kosmologiczne oraz, że jego ekspansja jest przyśpieszona poprzez obecność tzw.,,czarnej energii. Układ Słoneczny i inne systemy planetarne Świat Kopernika był to świat planet. Znał on tylko 6 planet: od Merkurego do Saturna. W następnych wiekach odkryto kolejne: Uran, Neptun i Pluton oraz małe planetki zwane asteroidami a także wiele naturalnych satelitów planet. Rys. 3. Nasz Układ Słoneczny Emilia Sidor 7
Ten,,inwentarz Układu Planetarnego możemy jeszcze uzupełnić o komety i ich,,rezerwuar na peryferiach naszego Układu, czyli Pas Kuipera oraz o materię międzyplanetarną. Cały ten świat został ostatnio zbadany przy pomocy sond kosmicznych. Niektóre z nich ciągle jeszcze działają i przekazują na Ziemię nowe fascynujące obrazy planet, planetoid, księżyców itp. Inne zaś przygotowywane są do startu i dzięki nim mamy nadzieję na lepsze poznanie komet i innych drobnych ciał Układu. Sondy Voyager 1 i 2 potrzebowały prawie 10 lat na spenetrowanie naszego Układu Planetarnego. Najbardziej zaskakującym z ich odkryć było wykrycie niezwykłej aktywności wulkanicznej księżyca Jowisza nazwanego Io. Obecnie wokół Jowisza pracuje stacja kosmiczna Galileo śledząc z bliska niektóre z jego księżyców. Na księżycu Europa wydają się istnieć pod grubą warstwą lodu wielkie płynne oceany. Natomiast ostatnio przypuszcza się, że również na powierzchni Marsa istnieją zbiorniki płynnej wody. Około 50 lat temu Gerard Kuiper wysuną hipotezę, że niektóre komety nie pochodzą z odległej chmury Oorta, lecz z leżącego tuż za Neptunem, silnie skoncentrowanego w płaszczyźnie ekliptyki pasa planetoid, nazwanego od nazwiska pomysłodawcy pasem Kuipera. Przez wiele lat nie było żadnego świadectwa istnienia takiego pasa planetoid. Dopiero kilka lat temu, szukając hipotetycznej,,dziesiątej planety, zaczęto odkrywać takie transneptunowe ciała. Mają one rozmiary sięgające 150-300 km. Dzisiaj znamy ich około 80. Powstało również pytanie, czy Pluton to planeta, czy też największa z planetoid pasa Kuipera? Ile więc planet liczy Układ Słoneczny? Rys. 4. Nowy obraz Układu Słonecznego Emilia Sidor 8
Nie rozstrzygnięto jeszcze tego dylematu, a pojawiły się odkrycia plant wokół innych gwiazd. Na ogół są to pojedyncze planety wielkości Jowisza, krążące wokół swojego,,słońca w różnej odległości i na orbitach o różnych kształtach. Wszystkie odkryto po systematycznych poszukiwaniach drogą spektroskopową wykorzystując efekt Dopplera do pomiarów zmian prędkości radialnych gwiazd. Układ gwiazda planeta obraca się wokół wspólnego środka masy obu ciał, a więc widziana przez nas gwiazda wykonuje oscylacje wykrywane jako zmienna prędkość radialna, raz oddalającej się od nas, a kiedy indziej przybliżającej się do nas gwiazdy. Aleksander Wolszczan polski astronom - odkrył, że aby wytłumaczyć zmiany obserwowanych części błysków pulsara PSR 1257+12 muszą wokół niego znajdować się 2 lub 3 obiekty o masie planetarnej. Było to pierwsze odkrycie,,planet poza naszym Układem Planetarnym. Gwiazdy i materia międzygwiazdowa Słońce jest naszą najbliższą gwiazdą. Poznanie jego struktury, zjawisk na powierzchni i w jego atmosferze znakomicie pomaga zrozumieć inne gwiazdy. Dlatego też obserwujemy je z wielką uwagą, śledzimy powstawanie i ewolucję różnych zjawisk w jego fotosferze, chromosferze i koronie. Wysyłamy pojazdy kosmiczne, aby mieć informację o tym wszystkim co dzieje się w obszarach niedostępnych z Ziemi i zakresach promieniowania, którego nie przepuszcza ziemska atmosfera ( np. w dziedzinie wysokoenergetycznego promieniowania gamma i promieniowania rentgenowskiego itp.). Życie gwiazd, ich narodziny, ewolucja i końcowe fazy istnienia są przedmiotem szczególnego zainteresowania współczesnych astronomów. Gwiazdy rodzą się w wielkich molekularnych obłokach gazowo pyłowych, w naszej galaktyce położonych w pobliżu płaszczyzny Drogi Mlecznej. Ultrafioletowe światło młodych gorących gwiazd rzeźbi swe,,mateczniki w przeróżne kształty. Dzięki temu podziwiać możemy na przykład urzekające swym pięknem i niezwykłością kolumny materii w mgławicy M16 (Orzeł) w gwiazdozbiorze Węża. Pyłowe kokony kryją w tej mgławicy miejsca nowo narodzonych gwiazd. W emisyjnej mgławicy Oriona M42 teleskop kosmiczny Hubble a odkrył nie tylko świadectwo współczesnego powstania gwiazd, ale również i planet. Spowite kokonami pyłów i gazów okolice gwiazd nazwanych proplydami są zapewne takimi miejscami. Teleskop kosmiczny wykonał też zdjęcia wielu obiektów Hergiga Haro, które są młodymi gwiazdami na najwcześniejszych etapach ewolucji. Widzimy na nich zjawiska dysków akrecyjnych i wytrysków (,,dżetów ) materii, towarzyszące powstawaniu gwiazd. Skala tych zjawisk jest porównywalna z rozmiarami naszego Układu Słonecznego. Na fotografiach uzyskanych teleskopem Hubble a możemy podziwiać przepiękną, bardzo bogatą w szczegóły, strukturę mgławicy Tarantula (NGC 2070) w Wielkim Obłoku Magellana. Jest to największa znana nam chmura wodorowa i gwiazdowy matecznik w lokalnej gromadzie galaktyk. Leży w najbliższej nam, naszej satelitarnej galaktyce LMC w odległości zaledwie 180 tysięcy lat świetlnych. Wielka Emilia Sidor 9
część tej gwiazdy powstała jakieś 3-5 miliardów lat temu, czyli wtedy, gdy powstało nasze Słońce ze swym układem planetarnym. Mgławica NGC 2070 świeci dzięki wzbudzeniu jej gazów światłem pobliskich gorących gwiazd na drodze mechanizmów fluorescencji. Mgławice pyłowe na ogół świecą na skutek rozpraszania promieniowania okolicznych gwiazd. Tak na przykład świeci w naszej Galaktyce mgławica M45, którą stanowią pyły, w których,,zatopiona jest piękna gromada otwarta gwiazd nazwana,,plejady w gwiazdozbiorze Byka. Fot. 2. Mgławica M16 w gwiazdozbiorze Węża. Japoński teleskop Subaru na Mauna Kea wykonał ostatnio bardzo efektowne zdjęcia Wielkiej Mgławicy Oriona w dziedzinie podczerwonej widma. W mgławicy tej dominuje wodór o temperaturze 2000 K. W podczerwieni szczególne zainteresowanie wzbudza część tej mgławicy, która określana jest katalogowym mianem,,obszar KL. W jego centrum stwierdzono rodzące się gwiazdy, które swym młodzieńczym światłem oświetlają pyły i gazy znajdujące się w pobliżu. Procesy tego rodzaju trwają tylko miliony lat. Równie ciekawe są obserwacje procesów towarzyszących umieraniu gwiazd. Niektóre gwiazdy w ostatnich stadiach ewolucji odrzucają swoje zewnętrzne warstwy, które następnie możemy obserwować w postaci mgławic planetarnych. Jedną z takich mgławic jest NGC 6543 w gwiazdozbiorze Smoka. Patrząc na nią widzimy skomplikowany układ gazowych otoczek, odrzuconych przez wybuchającą gwiazdę z szybkością kilku tysięcy kilometrów na sekundę. Odrzucona materia gwiazdowa zderza się z otaczająca gwiazdę materią okołogwiazdową, a dalej międzygwiazdową, powodując powstanie fal uderzeniowych. Wybuchy gwiazdy mogą być wielokrotne i w ten sposób jesteśmy świadkami niesamowitego przepięknego spektaklu. Jednak obserwowana mgławica rozproszy się bardzo szybko, w ciągu kilku tysięcy lat. Emilia Sidor 10
Fot. 3. Mgławica NGC 6543 w gwiazdozbiorze Smoka. Jeszcze bardziej gwałtowne procesy towarzyszą umieraniu gwiazd masywnych w zjawisku zwanym supernową. W gwieździe masywnej ciężar materii wywierany na jądro jest tak wielki, że temperatura i gęstość wzrastają w nim na tyle, by mogły zachodzić tam reakcje termojądrowe węgla. W wyniku fuzji węgla powstają takie pierwiastki jak tlen, neon, magnez i krzem, które mogą reagować dalej. W ostatnim etapie fuzji nuklearnej zsyntetyzowane dotąd pierwiastki przekształcają się głównie w żelazo. Wszystkie dotychczasowe fazy reakcji jądrowych wydzielały energię; właśnie ta energia była źródłem światła, które gwiazda wysyłała przez miliony lat. Jądra żelaza są bardzo stabilne i trzeba im dostarczyć energii, aby mogły wziąć udział w reakcjach. Z tego powodu w centralnych częściach gwiazdy zaczyna gromadzić się żelazo. Gdy masa żelaznego jądra gwiazdy przekroczy ok. 1,4 masy Słońca, panujące w nim ciśnienie nie jest w stanie podtrzymywać jego ciężaru. W czasie krótszym od sekundy jądro gwiazdy zapada się do rozmiarów będących malutkim ułamkiem swej dotychczasowej objętości. Następuje fotodezintegracja żelaza, czyli rozpad jąder tego pierwiastka po pochłonięciu przez nie energii. Aby zrównoważyć jej niedobory, zaczyna się zapadać cała gwiazda. Robi to w sposób tak gwałtowny, że energia, jaka się wtedy wydziela, jest tak wielka, iż powoduje powstanie fali uderzeniowej, która rozrywa gwiazdę. Supernowe są tak jasne, że przez kilka tygodni mogą swym blaskiem przewyższyć jasność wszystkich gwiazd w ich macierzystych galaktykach. Rozproszona w przestrzeni międzygwiazdowej materia staje się budulcem nowych generacji gwiazd. Jej część może ulec kompresji i utworzyć gwiazdę neutronową lub czarną dziurę; jest to zależne od pierwotnej masy. Wszystko to stanowi przedmiot fascynujących badań współczesnej astronomii we wszystkich zakresach spektralnych widma promieniowania elektromagnetycznego. Emilia Sidor 11
Droga Mleczna i inne galaktyki Galaktyki są jak gwiezdne miasta Wszechświata. Ich głównymi składnikami są gwiazdy i materia międzygwiazdowa. Są ich miliardy, a ich wzajemne odległości sięgają milionów lat świetlnych. Mają ogólny kształt przypominający sportowy dysk, który w swej strukturze jest eliptyczny, spiralny, spiralno belkowy lub nieregularny. Niektóre galaktyki są bardzo aktywne z ich jąder tryskają wielkie strugi materii. O wyglądzie wielu galaktyk prawdopodobnie decydują masywne czarne dziury ulokowane w ich jądrach. Przypuszcza się, że to one napędzają nieznane nam jeszcze mechanizmy wyzwalające ogromne ilości energii w kwazarach czy galaktykach o aktywnych jądrach tzw. AGN-ów, które wzbudzają dzisiaj duże zainteresowanie astronomów. Galaktyki aktywne wyróżniają się bardzo jasnym jądrem, którego światło nie może pochodzić od gwiazd. Energia generowana przez aktywne jądra galaktyk jest tak ogromna, że przyćmiewa światło wszystkich gwiazd w galaktyce. Galaktyki skupiają się w tzw. gromady galaktyk. Na zdjęciu wielu gromad widzimy galaktyki podwójne i wielokrotne, a w licznych przypadkach mamy do czynienia z ewidentnym oddziaływaniem grawitacyjnym między sąsiadującymi ze sobą galaktykami. Często się zdarza, że obserwujemy całe pola galaktyk, w których wszystkie obiekty występują w skomplikowanych wzajemnych związkach. Naszą Galaktykę widzimy w postaci Drogi Mlecznej. W jej centrum jest wielka koncentracja gwiazd oraz pyłów i gazów międzygwiazdowych i prawdopodobnie znajduje się wielka czarna dziura. Centralne jądro otoczone jest przez system stosunkowo cienkich ramion spiralnych. Światło przechodzi z jednego krańca naszej Galaktyki na drugi w czasie 100 tysięcy lat. Nasz Układ Planetarny znajduje się raczej na peryferiach Galaktyki w odległości przeszło 30 tys. lat świetlnych od środka, w pobliżu jednego z jej ramion. Fot. 4. Centralna część Drogi Mlecznej. Emilia Sidor 12
Co przyniesie przyszłość Według niedawno opublikowanego w Waszyngtonie specjalnego raportu Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych A P, którego autorami był 15-osobowy zespół pod przewodnictwem profesorów Christophera F. McKee z Berkeley w Kaliforni i Josepha H. Taylora Jr. z Princeton w New Jersey istnieje szereg kluczowych problemów, które dojrzały do znacznego postępu wiedzy o nich i do ich zrozumienia w pierwszej dekadzie nowego tysiąclecia. Są to: wielkoskalowe własności Wszechświata: ilość i rozkład materii, wieku i historii ekspansji; najwcześniejsze etapy życia Wszechświata, kiedy powstawały pierwsze gwiazdy i galaktyki; powstawanie i ewolucja czarnych dziur wszystkich wielkości; tworzenie się gwiazd i ich systemów planetarnych oraz narodziny i ewolucja planet olbrzymów i planet ziemiopodobnych; zrozumienie jak otoczenie astronomiczne wpływa na Ziemię. Są to tematy, które rokują obecnie największy postęp ich zrozumienia i stanowią małą część kluczowych problemów współczesnej astronomii i astrofizyki. Nie możemy mieć nadziei, na przykład, na poznanie procesów formowania się czarnych dziur bez zrozumienia późnych stadiów ewolucji gwiazd czy też obserwacje galaktyk we wczesnych stadiach ewolucji nie będą dla nas jasne dopóty, dopóki nie zrozumiemy, jak te galaktyki rozwijały się od czasu swych narodzin do obecnej chwili. Raport Komitetu McKee i Taylora rekomenduje na najbliższe dziesięciolecie budowę szeregu nowych instrumentów i podjęcie nowych inicjatyw badawczych. Planuje się budowę m. in.: Teleskopu kosmicznego nowej generacji NGST (Next Generation Space Telescope) o średnicy lustra 8 m, który w podczerwonym zakresie widma będzie 100-600 razy czulszy od teleskopu Hubble a i będzie dawał obrazy 10 razy bardziej ostre. Planuje się umieszczenie go wiele kilometrów od Ziemi w punkcie L2 równowagi systemu Słonce- Ziemia. Teleskop ten pozwoli śledzić ewolucję galaktyk od chwili ich powstania aż do czasów współczesnych oraz pozwoli nam zrozumieć, jak tworzą się gwiazdy i planety w naszej Galaktyce. Olbrzymiego optycznego teleskopu naziemnego GSMT (Giant Segmented-Mirror Telescope) o klasie 30 m stanowiący naziemne uzupełnienie teleskopu NGST. Będzie pracował głównie w zakresie optycznym 0,3 do 1 m z nieosiągalną dotychczas zdolnością zbiorcza i 10-krotnym wzrostem czułości w stosunku do największych istniejących obecnie teleskopów. W zakresie okna atmosferycznego od 1 do 25µ m, przy zastosowaniu optyki adaptywnej, teleskop ten osiągał będzie zdolność rozdzielczą ograniczoną tylko dyfrakcją (0,008 sekundy łuku przy ). µ λ = 1µm Zespołu teleskopów promieniowania X (Constelation-X Obserwatory), który będzie się składał z 4 teleskopów X umieszczonych w przestrzeni kosmicznej w celu badania Emilia Sidor 13
tworzenia się i ewolucji czarnych dziur wszelkich rozmiarów. Każdy z instrumentów będzie miał wysoką zdolność rozdzielczą w szerokim zakresie energii. Teleskop będzie pracował w zakresie 0,25-40 kev i spodziewane jest uzyskanie czułości 100 razy lepiej niż miały dotychczasowe teleskopy X. Będzie doskonałym instrumentem do badań kwazarów w pobliżu krawędzi widzialnego Wszechświata i do śledzenia ewolucji pierwiastków chemicznych. Teleskopu LSST (Large-aparture Synoptic Surwey Telescope) optyczny teleskop naziemny klasy 6,5 m, przeznaczony do systematycznego przeglądania całego nieba przynajmniej raz na tydzień. Skataloguje on 90% obiektów bliskich Ziemi o rozmiarach większych niż 300 m i prawdopodobnie znajdzie ok. 10 tys. obiektów Pasa Kuipera, które stanowią kopalny zapis stanu materii w chwili tworzenia się naszego Systemu Słonecznego. Przyczyni się on również do lepszego poznania struktury Wszechświata przez obserwacje tysięcy bliskich i dalekich supernowych oraz przez badanie rozkładu ciemnej materii, obserwując soczewki grawitacyjne i mikrograwitacyjne w głębokich otchłaniach Kosmosu. Poszukiwacza planet ziemiopodobnych TPF (Terrestrial Planet Finder). Ma to być interferometr przeznaczony do badania planet ziemiopodobnych wokół pobliskich gwiazd. Ma je znajdować, charakteryzować ich atmosferę i poszukiwać na nich śladów życia. Spektralnym zakresem jego pracy będzieλ = 3 30µm, przestrzenna zdolność rozdzielcza osiągnie 0,00075 sekundy łuku dla 3 µm. Teleskop będzie też dostarczał obrazy obszarów rodzących się gwiazd oraz odległych galaktyk z nieosiągalną dotychczas zdolnością rozdzielcza. Wielkiego teleskopu dalekiej podczerwieni SAFIR (Single-Aperture Far InfraRed Observatory), który ma być podczerwonym obserwatorium kosmicznym pracującym w zakresie spektralnym od 30 do 300µm z rozdzielczością 5-1000. Jego lustro będzie miało średnicę 8 m, a on sam będzie niejako teleskopem komplementarnym w stosunku do teleskopu NGST. Emilia Sidor 14
Podsumowanie W minionym stuleciu udało nam się osiągnąć ogromne postępy w dziedzinie astronomii i astrofizyki. Ciągle budujemy nowe instrumenty badawcze i dążymy do ich jak najlepszego udoskonalenia. Intryguje nas to co odległe, nieodkryte, niezbadane. Chcąc sięgnąć jak najgłębiej,,,okiem teleskopu wpatrujemy się dzień i noc w czeluście Wszechświata. Ze wszystkich stron jesteśmy otoczeni galaktykami. Oglądamy je z głębin jednej z nich, żyjąc na maleńkiej planecie imieniem Ziemia. Czy uda nam się zgłębić największe tajemnice Wszechświata? Czy poznamy jego strukturę na tyle dobrze, aby móc przewidzieć jego dalsze losy? Jest jeszcze wiele pytań, na które nie znamy odpowiedzi. Tajemnicza otchłań Wszechświata zawsze była, jest i będzie najbardziej fascynująca dla małej istoty, jaką jest człowiek. Emilia Sidor 15