2017-07-11
Kategoria: Wszechświat

Ekstremalne zjawiska w Kosmosie – temperatury

Mgławica Koński Łeb (Barnard 33) to ciemna mgławica w konstelacji Oriona. Leży 1500 lat świetlnych od Ziemi i ma średnicę 3,5 roku świetlnego. Jest niezwykle zimna (-2630C, tylko 100C więcej od zera bezwzględnego). Czerwony blask to gaz wodorowy. W pobliżu – inne znane obiekty.

Niewyobrażalny mróz

Widzieliśmy, że niemal nie ma granic dla tego, jak gorący może się stać Wszechświat. W miarę jak temperatura rośnie, ruchy poszczególnych atomów i cząstek subatomowych stają się coraz bardziej gorączkowe. Pomyślmy teraz jednak o przeciwnym przypadku – o ekstremalnym zimnie.

Gdy się coś schładza, atomy albo cząsteczki stają się coraz bardziej powolne w ruchach. Prowadzi to do wniosku, że musi istnieć minimalna możliwa temperatura, stopień zimna, w którym wszystkie cząstki się zatrzymują i pozostają nieruchome na miejscu.

Naukowcy po raz pierwszy uświadomili sobie, że musi istnieć granica zimna, ponad trzysta lat temu. Ta granica, która, jak teraz wiemy, wynosi -273,15°C, nazywa się zerem absolutnym i jest najniższą temperaturą, jaką jakikolwiek obiekt może kiedykolwiek uzyskać. W rzeczywistości prawa fizyki zabraniają, żeby jakikolwiek obiekt osiągnął dokładnie taką temperaturę, ale nie ma praktycznie ograniczeń dla tego, jak bardzo można się zbliżyć do zera absolutnego. Gdy już o tym wiemy, jesteśmy gotowi, by poradzić sobie z najzimniejszymi miejscami w kosmosie.

Przestrzeń kosmiczna jest zimna. Jak bardzo? Precyzyjnie rzecz ujmując, obecną średnią temperaturę Wszechświata zmierzono na poziomie -270,42°C, zaledwie 2,73 stopnia powyżej zera absolutnego.

Choć podczas eksperymentów przeprowadzonych tutaj na Ziemi uzyskano temperatury, które od zera absolutnego dzieliły miliardowe części stopnia, osiągnięcie tych niewiarygodnie mroźnych głębi wymaga niezmiernie skomplikowanego (i kosztownego!) wyposażenia. Jeśli wziąć pod uwagę, że Wszechświat nie dysponuje takim wyposażeniem, nie ma wątpliwości, że przestrzeń kosmiczna jest imponująco zimna. Z pewnością jest zimniejsza niż to, co jest w stanie zmierzyć jakikolwiek zwykły termometr. Na przykład stary termometr rtęciowy zamarza na kamień w temperaturze -38°C. Nawet termometr alkoholowy wyzionie ducha w temperaturze około -100°C. Jak więc mierzymy tak niezmiernie niskie temperatury głębin przestrzeni kosmicznej? I, co ważniejsze, co powstrzymuje Wszechświat od ochłodzenia się jeszcze bardziej o ten ułamek stopnia do zera absolutnego?

Przypomnijmy sobie najpierw prawo promieniowania ciała doskonale czarnego, sformułowane przez Plancka, które wiąże temperaturę obiektu z jego kolorem.

W przypadku gorących czerwonych karłów widzieliśmy, że istnieją obiekty tak gorące, iż już nie promieniują w widzialnej części, lecz emitują większość swojej energii w promieniowaniu ultrafioletowym albo rentgenowskim. W ten sam sposób wystarczająco zimne obiekty świecą światłem również niewidocznym, ale znajdującym się na drugim krańcu widma.

Na przykład ludzkie ciało o temperaturze około 37°C emituje głównie kolory podczerwone, niewidzialne dla nieuzbrojonego oka, ale łatwo dostrzegalne przez gogle noktowizyjne. Obiekty jeszcze chłodniejsze będą emitowały mikrofale albo fale radiowe.

Pod koniec lat czterdziestych XX wieku naukowcy uświadomili sobie, że jeśli cały Wszechświat ma konkretną temperaturę, to prawo Plancka wymaga, żeby jarzył się kolorem odpowiadającym tej temperaturze. I istotnie, w 1965 roku w niewinnie brzmiącym artykule naukowym zatytułowanym Pomiar temperatury anteny zewnętrznej przy częstotliwości 4080 MHz dwóch fizyków, Arno PenziasBob Wilson, doniosło o przypadkowym odkryciu tej wszechobecnej kosmicznej poświaty. Promieniowanie, które wykryli, miało kolor w mikrofalowej części widma, odpowiadający temperaturze -270°C. Penzias i Wilson otrzymali w 1978 roku Nagrodę Nobla z fizyki za swoje odkrycie „kosmicznego promieniowania tła” (albo promieniowania reliktowego, jak się je często nazywa).

To odkrycie jest z pewnością interesujące, dlaczego jednak zasługiwało na Nagrodę Nobla? Ponieważ kosmiczne promieniowanie tła, słabe powszechne jarzenie się zmrożonej przestrzeni kosmicznej, jest uznawane za niezmiernie silny dowód, że nasz Wszechświat powstał nagle w Wielkim Wybuchu 13,8 miliarda lat temu. Choć nie wiemy jeszcze, co spowodowało ten Wielki Wybuch, wiemy dziś, że zarówno przestrzeń, jak i czas jednocześnie powstały w tym momencie i że Wszechświat od tego czasu rozszerza się we wszystkich kierunkach.

Po tych pierwszych ekstremalnych momentach po Wielkim Wybuchu, Wszechświat spędził następne kilkaset tysiącleci w niewiarygodnie gęstej zupie protonów, neutronów i elektronów. Obserwator w tamtym czasie byłby spowity gęstą mgłą, ponieważ każda odrobina światła wyemitowana przez jakikolwiek obiekt, szybko zderzyłaby się z pobliskim elektronem. W miarę jak Wszechświat rozszerzał się i ochładzał, osiągnął punkt, w którym przeszedł gwałtowną zmianę: około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu elektrony i protony połączyły się, tworząc atomy wodoru, a mgła nagle opadła. W tym momencie temperatura Wszechświata wynosiła około 2700°C i w związku z tym Wszechświat lśnił czerwonawożółtą poświatą. W ciągu późniejszych 13,7 miliarda lat Wszechświat nieustannie stygł, by osiągnąć swoją obecną niską temperaturę. W przyszłości temperatura będzie powoli dalej spadać, stopniowo zbliżając się do absolutnego zera, ale nigdy nie osiągnie najniższej możliwej temperatury -273,15°C.

Astronomowie dzielnie próbowali podać inne wyjaśnienia tego, co mogło wypełnić przestrzeń kosmiczną słabym, migoczącym kosmicznym promieniowaniem tła, wydaje się jednak, że jest tylko jedna możliwość: niewiarygodnie niska temperatura przestrzeni kosmicznej, wynosząca -270,42°C, to znikający dowód gorących początków Wszechświata sprzed miliardów lat. Ta ledwo mierzalna poświata jest zasadniczym kluczem, który pomógł nam zrozumieć początki kosmosu.

Zimniejsze niż Kosmos

Czy istnieją obszary przestrzeni kosmicznej jeszcze zimniejsze niż kosmiczne promieniowanie tła? Odpowiedź powinna brzmieć: „Nie”, ponieważ jeśli nawet taka sytuacja mogłaby w jakiś sposób naturalnie zajść, obszar ten byłby skąpany w świetle kosmicznego promieniowania tła, które ogrzałoby go do tej samej temperatury -270,42°C, jaką ma cała pozostała przestrzeń kosmiczna.

Jednak, co niezwykłe, istnieje przynajmniej jedna część Wszechświata, która jest jeszcze zimniejsza niż pozostałe jego części. Mgławica Bumerang to kolejna mgławica planetarna podobna do mgławicy Czerwony Pająk, będąca skutkiem wyrzucenia powłok gazowych przez umierającą gwiazdę. Za miliardy lat, kiedy nasze Słońce wypali całe paliwo pod koniec swojego życia, stworzy własną mgławicę, która może nie być zbyt podobna do mgławicy Bumerang. Takie mgławice są dość powszechne, ale tak jak płatki śniadaniowe, każda z nich jest inna, co odzwierciedla wiek, masę, skład i inne właściwości znajdującej się w jej centrum gwiazdy.

Mgławica Bumerang jest szczególnie niezwykła. W tym przypadku umierająca gwiazda, która zrodziła mgławicę, wytwarza niezmiernie silny wiatr: przez ostatnie 1500 lat życia materia jest unoszona przez ten wiatr z powierzchni gwiazdy z prędkością niemal 600 000 kilometrów na godzinę. A tempo, w jakim gwiazda wyrzuca materię poprzez wiatr, jest ogromne i wynosi około 60 000 000 000 000 000 ton na sekundę!

Mgławica Bumerang – młoda mgławica w gwiazdozbiorze Centaura. Odległa o około 5000 lat świetlnych od Ziemi, rozciąga się na ok. 2 lata świetlne. To najzimniejsze znane miejsce we Wszechświecie.

W 1990 roku astronom Raghvendra Sahai zdał sobie sprawę z tego, że w takich ekstremalnych obiektach wiatr wiejący od gwiazdy może nie tylko poruszać się z dużą prędkością, lecz także gwałtownie się rozszerzać, w miarę jak się oddala. To gwałtowne rozszerzanie się może powodować znaczny spadek temperatury w taki sam sposób, w jaki gwałtowne parowanie i rozszerzanie się chłodziwa w domowej lodówce wytwarza niską temperaturę, która utrzymuje świeżość jedzenia. (Zachodzi tu zjawisko przeciwne do ściskania gazu w celu ogrzania go. Jeśli kiedykolwiek zwróciliście uwagę, jak gorąca jest pompka po napompowaniu dętki rowerowej, to wiecie, co mam na myśli).

Kilka lat później Sahai i jego współpracownik, Lars-Ake Nyman, postanowili sprawdzić swój pomysł na przykładzie mgławicy Bumerang. Wykorzystali teleskop w Chile do zmierzenia temperatury gazu w Bumerangu i dowiedli, że rzeczywiście jest on „schładzany” do bardzo niskich temperatur. Zaskakujące, jak niskie okazały się te temperatury: analiza danych pokazała, że

gaz w mgławicy Bumerang ma temperaturę -272°C, czyli jest zimniejszy nawet od kosmicznego promieniowania tła!

Choć centralna gwiazda zasilająca mgławicę jest bardzo gorąca

połączenie wielkiej prędkości wiatru i gwałtownego rozszerzania się wytworzyło w tym przypadku najzimniejsze znane miejsce we Wszechświecie

które powstało w naturalny sposób, o temperaturze niższej nawet od ekstremalnie zimnej przestrzeni kosmicznej, która je otacza.

Co jeszcze odkryjemy?

Nie jest prawdopodobne, żeby w opowieści o kosmosie kiedykolwiek pojawiło się ostatnie słowo.

Każda tajemnica, którą są w stanie rozwiązać astronomowie, rodzi dziesiątki nowych pytań, które następnie domagają się odpowiedzi. Każdy nowy przełom albo odkrycie szybko pokazuje, że nie rozumiemy rzeczy aż tak dobrze, jak się nam wydawało. A każdy nowy teleskop wycelowany w niebo ujawnia niespodziewane obiekty i zjawiska, których aż do tej chwili nikt nie był w stanie dostrzec.

Wedle wszelkiej miary dowiedzieliśmy się niezmiernie wiele o Wszechświecie, ale pod innymi względami zaledwie zadrapaliśmy powierzchnię. Złoty wiek astronomii dopiero się rozpoczyna.

Jaka więc będzie prawdopodobnie przyszłość? Ponieważ budujemy większe i silniejsze teleskopy, będziemy nadal odkrywać coraz więcej gwiazd, galaktyk, gromad galaktyk i innych zjawisk niebieskich. Większość obiektów, jakie odkryją astronomowie, będzie podobna do tych, o których już wiemy, ale niewielka garstka okaże się rekordzistami na własnych prawach, przekraczającymi nawet znane dziś ekstrema.

Gdzieś tam są obłoki gazu zimniejsze niż mgławica Bumerang, galaktyki większe niż IC 1101, dźwięki niższe niż te, które rozbrzmiewają w gromadzie Abell 426, magnesy silniejsze nawet niż SGR 1806-20 i grawitacja jeszcze potężniejsza niż przyciąganie GRO J0422+32.

Istnieje tak wiele wspaniałych zjawisk, które już znamy. Jest Pierścień Lwa, niewiarygodna pętla żarzącego się gazu o średnicy 650 000 lat świetlnych; obiegnięcie galaktyki, którą opasuje, zabiera jej 4 miliardy lat. Jest ciemna materiaciemna energia, dwa tajemnicze zjawiska, które razem obejmują 95% masy i energii Wszechświata. A niedawno ustanowiony został nowy rekord najbardziej oddalonego obiektu, jaki kiedykolwiek odkryto – jest nim galaktyka nazywana UDFj-39546284, oddalona o 13,2 miliarda lat świetlnych.

Jeśli istnieje jakiś jeden ogólny wniosek, który możemy wyciągnąć z niezwykłych obiektów, jakie odkryliśmy w całym Wszechświecie (i z wiedzy, że jest jeszcze tak wiele do odkrycia), to jest to uznanie naszej małej i marginalnej roli w ewolucji Wszechświata.

Cała nasza Droga Mleczna jest nieznaczącym, pomniejszym pyłkiem na kosmicznej scenie, ukrytym pośród ogromnej ciemności i pustki kosmicznej próżni. Z drugiej strony, co to był za tryumf czystej myśli, że my, zwykłe istoty ludzkie, na przestrzeni zaledwie stu lat ustaliliśmy, jak gwiazdy się rodzą, żyją i umierają, jak ewoluują galaktyki i jak cała struktura galaktyk, gromad galaktyk i kosmicznych pustek jest ze sobą powiązana.

Kosmos jest bez wątpienia ekstremalny, a liczby, które mierzą te ekstrema, mogą się na pierwszy rzut oka wydawać trudne do pojęcia. Przy bliższym zbadaniu ekstrema Wszechświata stają się jednak nie tylko bardziej zrozumiałe, ale też okazują się zasadniczym kluczem potrzebnym do dotarcia do prawdziwej cudowności i elegancji nieba.

Pomimo na pozór beznadziejnego niedopasowania naszej ograniczonej, ludzkiej wyobraźni oraz wielkości i złożoności Wszechświata, w osłupienie wprawia to, że sądzimy, iż rozumiemy tak wiele z tego, co widzimy. Niezależnie od tego, jak bardzo bezradni i przerażeni często okazujemy się w konfrontacji z kosmosem, prawdopodobnie największym ludzkim osiągnięciem okazuje się to, że mimo wszystko potrafimy wyjaśnić i docenić wspaniałość nocnego nieba.

Bryan Gaensler

Gwiazdy – fabryki energii i gorąca

■ Spalenie wszystkich paliw na Ziemi dałoby tyle energii, ile Słońce dostarcza Ziemi w ciągu 3 dni.

■ W ciągu sekundy do Ziemi dociera 2 megadżuli (MJ) energii słonecznej na metr kwadratowy. Ziemia przejmuje tylko dwie miliardowe części całkowitej energii Słońca (3,826 * 1026 J).

■ Drobina materii wielkości główki od szpilki z wnętrza Słońca mogłaby zabić swoim gorącem człowieka z odległości 150 kilometrów.

■ Słońce spala 600 milionów ton wodoru na sekundę.

■ Gwiazda S Doradus w Wielkim Obłoku Magellana ma milion razy większą moc promieniowania niż Słońce.

■ Wielkie gwiazdy: Rigel – błękitny nadolbrzym, temperatura 12 500 K, 79 średnic Słońca; Betelgeza – czerwony nadolbrzym, 2700 K, 1000 średnic Słońca (objętościowo 64 mln Słońc). Obie znajdują się w najsłynniejszym na niebie gwiazdozbiorze Oriona.

■ Betelgeza, jedna z największych znanych gwiazd, jest tak ogromna, że gdyby znajdowała się na miejscu Słońca, wypełniałaby Układ Słoneczny aż do orbity Jowisza, pochłaniając Ziemię. Wkrótce wybuchnie jako supernowa 1. Jest możliwe, że nawet już wybuchła, np. za życia Kopernika czy Napoleona Bonaparte, lecz o tym nie wiemy, gdyż informacja (światło) jeszcze do nas nie dotarła (odległość wynosi ok. 640 lat świetlnych). Będzie wówczas tak jasna na nocnym niebie, jak Księżyc!

Bryan Gaensler – „Potęga i piękno. Ekstremalne zjawiska w kosmosie” (ang. „Extreme Cosmos”) Cieszący się międzynarodową sławą australijski astronom Brian Gaensler opowiada, jak dalece Wszechświat wykracza pod każdym względem poza wszystko, co jesteśmy sobie w stanie wyobrazić. Tematem „Potęgi i piękna” są niewyobrażalne temperatury, masy, wielkości i siły, które potrafimy zmierzyć i opisać, jednak bardzo trudno je pojąć. Umiejętność dokonywania pomiarów i zrozumienia, czym są wypełniające Wszechświat obiekty, jest zachwycająca, ale to, co tam napotykamy, jest tak odległe od skali zjawisk, do jakich jesteśmy przyzwyczajeni, jak to tylko możliwe.

Rozdziały: 1. Ekstrema temperatury 2. Ekstrema światła 3. Ekstrema czasu 4. Ekstrema wielkości 5. Ekstrema prędkości 6. Ekstrema masy 7. Ekstrema dźwięku 8. Ekstrema elektrycznościmagnetyzmu 9. Ekstrema grawitacji 10. Ekstrema gęstości.

Autor, Bryan Gaensler (ur. 4 lipca 1973 r.) – wybitny australijski astronom, twórca przełomowych prac, dotyczących m.in. magnetarów, pozostałości po supernowych oraz pól magnetycznych. Laureat wielu nagród naukowych, od 2013 członek Australijskiej Akademii Nauk. Obecnie pracuje na University of Toronto (alma mater: University of Sydney).

123

O Autorze

 > 

John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries… Imagine no Possession… Nothing to Kill or Die For… And no Religion too… No Need for Greed or Hunger… A Brotherhood of Man… (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.



Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2017-12-15, 16:39
Deszcz
3°C
Odczuwalna: 0°C
Ciśnienie: 1000 mb
Wilgotność: 93%
Wiatr: 1 m/s SSE
Prognoza: 2017-12-15
dzień
Deszcz ze śniegiem
3°C
noc
Mglisto (pochmurnie)
-1°C
 

Teleskop Hubble'a