Antygrawitacja
Definicja antygrawitacji w (najnowszej) encyklopedii jest bardzo prosta, a mianowicie brzmi ona tak: \”Antygrawitacja, hipotetyczne oddziaływanie odpychające masy. Dotychczas nie stwierdzono istnienia antygrawitacji\”. Czy jest to jednak całkowicie prawdziwe stwierdzenie?
Coraz więcej wskazuje na to, że Einstein niekoniecznie się mylił, wprowadzając do swoich równań tzw. stałą kosmologiczną, którą później usunął ze świadomością, iż jej użycie było jego największym błędem w karierze naukowej.
\”Tempo rozszerzania się wszechświata ciągle rośnie. Pustka kosmiczna wydaje się wypełniona potężną energią rozpychającą przestrzeń wszechświata. Nikt nie zna jej natury. Wiadomo tylko, że działa odwrotnie niż grawitacja: nie przyciąga lecz odpycha. Jest czymś w rodzaju antygrawitacji\” – twierdzi profesor Robert Kirshner, astrofizyk z Uniwersytetu Harvarda, rektor Smithsonian Center for Astrophysicas w Cambridge. Prawdopodobnie od tej nieznanej energii zależą losy wszechświata.
Na swoim wykładzie podczas kongresu Amerykańskiego Stowarzyszenia na Rzecz Rozwoju Nauki w Waszyngtonie profesor Kirshner pokazywał, jak pogłębia się nasza wiedza o wszechświecie. W ciągu kilku ostatnich lat bardzo dużo się zmieniło w wiedzy o wszechświecie. Dwa zespoły astronomów amerykańskich z Uniwersytetu Harvarda i z Berkeley ścigały się, polując na supernowe. Wybuch tych gwiazd zdarzają się nie częściej niż raz na sto lat w galaktyce liczącej sto miliardów obiektów. Ich blask w chwili eksplozji jest potężniejszy niż reszty galaktyki. Umierająca gwiazda w nuklearnym wybuchu odrzuca swoje warstwy zewnętrzne i po kilku tygodniach jądrowego fajerwerku przekształca się w białego karła . W listopadzie ubiegłego roku zespół prof. Kirshera odkrył supernową w odległości pięciu miliardów lat świetlnych od nas, co oznacza, że eksplozja zdarzyła się pięć miliardów lat temu.
Supernowe , pojawiające się w różnych miejscach wszechświata, spełniają funkcję podobną do latarni morskich – służą do określania odległości. Wszystkie mają niemal taką samą masę (ok. 1,4 masy Słońca), dlatego gdy kończą żywot w nuklearnym fajerwerku, mają prawie identyczną jasność. Natężenie ich blasku może być zatem wskaźnikiem ich odległości od Ziemi. Wędrując miliony czy miliardy lat fale światła supernowych \”rozciągają\” się, gdyż pędzą w nieustannie rozszerzającej się przestrzeni. Jest to efekt pierwotnego Wielkiego Wybuchu, podczas którego miał powstać świat. Fizycy od kilku lat tropiący supernowe próbują ustalić, czy tempo rozszerzania się przestrzeni maleje. Kilkanaście miliardów lat po Wielkim Wybuchu nie byłoby w tym nic zaskakującego.
Tymczasem informacje z obserwatoriów na Hawajach, w Australii, Chile, jak i krążącego nad Ziemią Teleskopu Hubble\’a, przetwarzane przez sieci najpotężniejszych komputerów, świadczą o tym, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Światło odkrytych ostatnio bardzo dalekich supernowych jest znacznie słabsze niż powinno. A to dowodzi, że przestrzeń między nimi a Ziemią rozszerzyła się bardziej, niż by to wynikało z dotychczasowego tempa ekspansji wszechświata. Obserwacje te rodzą kolejne pytania. Nie wiadomo, co może być źródłem impetu zwiększającego prędkość, z jaką uciekają od siebie wszystkie galaktyki, ich gromady i większe od nich struktury kosmiczne.
Jak zinterpretować to zjawisko? \”Można się odwołać do autorytetów, dyskutować z oponentami, zdobywać nowe dowody wspierające zdumiewające odkrycie tak szybkiego rozszerzania się wszechświata.\” – proponował prof. Kirshner. Zacznę jednak od Alberta Einsteina.
Uczony ten jest jednym z największych fizyków wszystkich czasów. Olbrzymią jego zasługą jest wkład, jaki wniósł w dziedzinie astrofizyki i mechaniki nieba.
Urodzony w Ulm w Niemczech, młodość spędził w Szwajcarii, walcząc z niedostatkiem jako naukowy pracownik federalnego urzędu patentowego. Gdy ujawniły się jego walory umysłowe, otrzymał nominację na profesora uniwersytetu w Zurychu, a następnie w tym samym charakterze przesiedlił się do Niemiec. Pracował tam naukowo aż do przewrotu hitlerowskiego (był pochodzenia żydowskiego, więc musiał uciec z Niemiec). Od 1933 r. wykładał na uniwersytetach w USA. I tam dopiero cechy jego genialności zostały w pełni ujawnione.
Dla teoretycznych dociekań astrofizycznych podstawowe znaczenie ma wzór Einsteina o równości energii (E) i masy (m):
(E = mc2)
gdzie c oznacza prędkość światła w próżni. Wzór ten wskazuje źródło olbrzymich ilości energii promienistej wydzielanej przez gwiazdy kosztem ich masy.
A oto jego udział w zagadnieniach astronomicznych. Opierając się na swej ogólnej teorii względności, wyjaśnił przyczynę powolnego ruchu peryheliów orbit planetarnych. Klasyczna teoria grawitacyjna Newtona nie umie tego wytłumaczyć. Einstein jako przyczynę wskazał ruch obrotowy globu słonecznego, który niejako pociąga naprzód po orbicie peryhelia planet.
W roku 1917, kiedy opublikował ogólną teorię względności, wiążąc w jeden układ równań geometrię przestrzeni, bieg czasu i siłę ciążenia, nie wiedziano jeszcze, że świat jako całość powinien się rozszerzać albo kurczyć. Astronomowie w owym czasie byli przekonani, że wszechświat jest statyczny i stały w swych rozmiarach. Skoro jednak wszechświat niw zapadł się do swego wnętrza pod własnym ciężarem wskutek siły powszechnego ciążenia, należało uznać, że coś go od tego powstrzymuje. Einstein wprowadził wówczas do swoich równań pewien czynnik, który miał zapewniać stabilny rozkład materii we wszechświecie. Nazwał go stałą kosmologiczną. Nieco później uznał tę idee za największy błąd swego życia. \”Chcę wskazać, że \’największy błąd\’ Einsteina może być dziś trafniejszy od najlepszych pomysłów wielu badaczy i że mamy istotne powody, aby wrócić do jego idei z 1917 roku\” – stwierdził prof. Kirshner.
Einstein uznał, że wprowadzenie stałej kosmologicznej do równań opisujących świat jako całość jest pomyłką, gdyż zaledwie kilka lat po opublikowaniu przez niego ogólnej teorii względności brytyjski astronom Edwin Hubble odkrył, że wszechświat nie jest statyczny. Dalekie galaktyki, czyli zbiory miliardów gwiazd, uciekają. W dodatku tym szybciej im dalej są od Ziemi. Zdaniem Hubble\’a, cała przestrzeń kosmiczna pęcznieje jak balon z taką prędkością, że mniej więcej co pięć sekund powstaje w niej przestrzeń porównywalna z Drogą Mleczną. Pewność tę dały Hubble\’owi obserwacje gwiazd zmiennych, zwanych cefeidami, które znalazł w ich galaktykach. Charakterystyczne linie odpowiadające pierwiastkom znajdującym się w świecącej materii tych gwiazd, na przykład wapniowi, były przesunięte w stronę czerwonego końca widma. Przesunięcie było tym większe, im dalej od Ziemi znajdowała się obserwowana cefeida. Zdaniem Hubble\’a, fale światła rozciągały się w przestrzeni, podobnie jak fale dźwięku z oddalającego się pociągu. Pomiary naukowca przyczyniły się do stworzenia hipotezy Wielkiego Wybuchu jako momentu, od którego świat zaczął się rozszerzać.
Hubble nie mógł jednak sięgnąć w głąb wszechświata dalej niż na kilkanaście milionów lat świetlnych. Nie dysponował więc wystarczającymi danymi, by stwierdzić, czy rozszerzanie się było kiedyś szybsze, a dziś maleje, czy może jest takie samo. Współczesne badania kosmiczne pozwalają wrócić do tego pytania. Piętnaście lat temu zespół astrofizyków duńskich za pomocą wielkiego teleskopu znajdującego się w Chile postanowił tropić dalekie supernowe. W ciągu dwóch lat udało im się znaleźć jedną. Zrezygnowali więc z poszukiwań. W ostatnich latach jeszcze doskonalsze przyrządy pozwoliły na automatyczne przeczesywanie przestrzeni aż do kilku miliardów lat świetlnych. Brian Schmidt, student prof. Kirshnera, obecnie szef projektu poszukiwań supernowych, dzięki czterometrowemu teleskopowi w Chile znalazł eksplodujące gwiazdy w odległości dwóch miliardów lat świetlnych, oddalające się z prędkością 40 000 km/s. Kosmiczny Teleskop Hubble\’a odnalazł supernową w odległości pięciu miliardów lat świetlnych, czyli pochodzącą z czasów, gdy wszechświat miał niewiele ponad połowę obecnego wieku. Dzięki takim możliwościom technicznym można już badać, czy tempo rozszerzania się wszechświata w przeszłości było większe, czy takie samo jak dziś. Wszystko wskazuje na to, że obecnie przestrzeń kosmiczna pęcznieje szybciej niż pięć miliardów lat temu.
Ale z czego właściwie zbudowany jest wszechświat i jaka siła kilkanaście miliardów lat po Wielkim Wybuchu przyspiesza ucieczkę galaktyk w rozszerzającej się przestrzeni? Materia, którą widać, bo świeci, stanowi zaledwie 10% tworzywa wszechświata. Ruchy gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach wokół wspólnego środka ciężkości wskazują na obecność w nich materii, która nie świeci i tylko przyciąganiem zdradza swe istnienie. \”Niestety, ni wiemy, czym ona jest. Daliśmy jej tylko ładną nazwę ciemnej materii\” – mówi prof. Kirshner. Jeśli prawdą jest to, co potwierdzają liczne pomiary i obserwacje, że przestrzeń rozszerza się coraz szybciej, musi w niej istnieć tajemnicza energia próżni, siła odpychająca, stanowiąca ok. 70% całego tworzywa kosmosu. \”Nowe obserwacje zburzyły stały obraz uniwersum\” – napisano w jednym z miesięczników naukowych. Na razie nie wiadomo jaki powinien być nowy.
Biały karzeł powstaje w wyniku zapadania się czerwonego olbrzyma. Jest to typ gwiazdy, której jądro skurczyło się w wyniku wypalenia (przekształcenia się w węgiel) całości wytworzonego we wcześniejszej fazie helu. Siły wewnętrznej grawitacji są zbyt małe, by stworzyć warunki do rozpoczęcia dalszych reakcji termojądrowych nagromadzonych jąder węgla. Gęstość materii takiej gwiazdy jest bardzo duża. Uważa się, że biały karzeł jest końcowym etapem ewolucji małej gwiazdy. Wypromieniowując nagromadzoną energię, stopniowo przeistacza się w czarnego karła, pozostającego w przestrzeni jako obiekt \”obumarły\”.
____________________________________________
Objaśnienia:
Nowa i supernowa to gwiazdy, które pokazały się nagle na niebie. Typ gwiazdy: nowa pochodzi z układu podwójnej gwiazdy, gdzie jedna z gwiazd rozpadła się. Dodatkowa masa, przejęta przez pozostałą po wybuchu gwiazdę, zwiększa jej wewnętrzne przyciąganie. Doprowadza to do rozżarzenia się jej wnętrza. Nowa zaczyna wówczas świecić. Od supernowej różni się tym, że słabiej świeci. Nie jest również efektem wybuchu, jak supernowa – gwiazda dużych rozmiarów. Z przekazów astronomów chińskich (1054 r.) wiemy, że wybuch takiej gwiazdy był widoczny również w czasie dnia. W kwietniu 1992 r. astronomowie zaobserwowali wybuch supernowej, oddalonej od Ziemi o 5 miliardów lat świetlnych.
Perycentrum to punkt orbity danego ciała kosmicznego najbliższy obieganemu ciału. Gdy ciałem centralnym jest Ziemia, perycentrum nazywa się perygeum (punkt przyziemny), gdy jest to Słońce, perycentrum nosi nazwę peryhelium (punkt przysłoneczny), gdy rozpatruje się ruch względem jądra galaktyki, perycentrum nazywane jest perygalaksium, w przypadku obiegu dowolnej gwiazdy perycentrum nazywane jest peryastron (przeciwieństwa: apocentrum, apogeum, apohelium, apogalaksium, apoastron).
Cefeidy, gwiazdy zmienne wykazujące okresowe fizyczne zmiany jasności związane z pulsacją (zmianami średnicy) gwiazdy. Cefeidy krótkookresowe Cefeidy krótkookresowe (tzw. typu RR Lyrae), o okresie zmienności poniżej 1 dnia, nie wykazują związku między ich jasnością absolutną a okresem zmienności. Cefeidy długookresowe Cefeidy długookresowe, okres zmienności od 1 do 70 dni, dzieli się na dwie kategorie:iorzu d Cephei (od nazwy gwiazdy w gwiazdozbhta e Cefeusza, od niej pochodzi też nazwa cefeid) i typu W Virginis. Wykazują związek między jasnością absolutną a okresem zmienności: im dłuższy okres zmian, tym jaśniejsza (absolutnie) gwiazda. Zależność ta ma tak ścisły charakter (liczbowo różny dla obu typów cefeid długookresowych), że wykorzystywana jest jako najpewniejsza metoda wyznaczania odległości do innych galaktyk, o ile znana jest absorpcja światła w przestrzeni pomiędzy cefeidą a obserwatorem.
