Wszechświat na wyciągnięcie ręki

Wszechświat na wyciągnięcie ręki
Minęło już całkiem sporo czasu, odkąd opuściłam mury I LO w Gorzowie Wlkp.
Już tam wiedziałam, że będę studiować astronomię, ponieważ zawsze chciałam się dowiedzieć,
jak powstał Wszechświat i skąd wzięliśmy się na naszej planecie. No cóż... wciąż tego nie wiem,
ale mimo to studia astronomiczne były niemowitą przygodą i sprawiły, że postanowiłam rozpocząć
pracę naukową. Obecnie pracuję w Południowym Obserwatorium Europejskim (European Southern
Observatory, ESO), które posiada jedne z największych teleskopów naziemnych na świecie (w Chile).
Patrząc na gwieździste niebo, widzimy niektóre obiekty lokalnego Wszechświata. Jest to tylko
mała część tego, co obecne instrumenty potrafią zaobserwować. Astrofizycy wykorzystują teleskopy
obserwujące we wszystkich długościach fali, od bardzo krótkich fal promieniowania gamma do bardzo
długich fal radiowych. Są to zarówno obserwacje naziemne, jak i obserwacje z orbity, gdyż niektóre
obserwacje ze względu na wpływ ziemskiej atmosfery, nie są możliwe z Ziemi, np. Obserwacje
w ultrafiolecie. Do najbardziej zaawansowanych i zasłużonych teleskopów należą np. Very Large
Telescope (VLT, Bardzo Duży Teleskop, Rysunek 1.), znajdujące się na pustyni Atacama w Chile
cztery teleskopy o średnicach 8 metrów operowane przez Południowe Obserwatorium Europejskie
(European Southern Observatory, ESO) czy też Kosmiczny Teleskop Hubble'a (Hubble Space
Telescop, HST, Rysunek 2).
Obserwacje, prowadzone przez astronomów w zakresie wielu długości fal, pozwoliły
na dogłębne studiowanie wielu rodzajów obiektów (gwiazdy, galaktyki, gwiazdy neutronowe,
mgławice planetarne, błyski gamma, planety krążące dookoła innych gwiazd itd.), jakie znajdują się
we Wszechświecie. Pośrednio obserwujemy też czarne dziury. Ze względu na bardzo wysoką czułość
instrumentów obserwacyjnych i wyniesienie niektórych z nich na orbitę ziemską, obserwujemy
obiekty, z których promieniowanie zostało wysłane, gdy Wszechświat był jeszcze bardzo młody,
miał około 10 % jego aktualnego wieku, który wynosi ok. 13.7 miliarda lat. Promieniowanie to dotarło
do nas dopiero teraz i ze względu na rozszerzanie się Wszechświata jest przesunięte ku czerwieni.
Im dalej obiekty znajdują się od nas, tym szybciej się od nas oddalają. Przeprowadzone w ostatniej
dekadzie przeglądy nieba wykryły tysiące obiektów o dużych przesunięciach ku czerwieni,
oznaczanych przez z (obecnie nasze obserwacje sięgają z ok. 6). Pozwoliło to na badanie ewolucji
Wszechświata, np. badania historii formowania się gwiazd w galaktykach. Różne parametry
charakteryzujące galaktykę wyznacza się na podstawie porównania danych obserwacyjnych
z modelami.
Rys. 1. Po lewej: VLT (cztery 8-metrowe teleskopy) – Obserwatorium na Paranalu, pustynia Atacama, Chile; po prawej:
Obserwatorium Paranal (http://www.eso.org/public/images/archive/category/paranal/).
Obecnie akceptowany model formowania się struktur we Wszechświecie zakłada, że formowały się
one “hierarchicznie”, tzn. najpierw powstawały gwiazdy, potem galaktyki, a następnie gromady
galaktyk. Dlatego też gromady galaktyk obserwujemy na przesunięciach ku czerwieni do około 1.5,
podczas gdy galaktyki do około 6.
W kilku słowach trudno jest przedstawić historię Wszechświata od jego początku do teraz,
toteż przedstawię chosiaż najważniejsze fakty. Do zbudowania modelu, jaki jest obecnie powszechnie
akceptowany, przysłużyło się zaobserwanie kosmicznego promieniowania tła (promieniowania,
jakie obserwujemy we wszystkich kierunkach, o temperaturze ok. 3 K, które jest bardzo jednorodne
i izotropowe) oraz zaobserwowanie ucieczki galaktyk, czyli rozszerzania się Wszechświata.
Zakładamy też tzw. zasadę kosmologiczną, mówiącą, że położenie Ziemi we Wszechświecie nie jest
w żaden sposób uprzywilejowane.
Wyobrażamy sobie, że Wszechświat (czas i przestrzeń) powstał w tzw. Wielkim Wybuchu.
Był on wtedy bardzo gorący i gęsty, a wraz z ekspansją stawał się chłodniejszy i rzadszy.
Około 3 minuty po Wielkim Wybuchu rozpoczęła się tzw. pierwotna nukleosynteza, czyli formowanie
się lekkich jąder pierwiastków chemicznych. Około 300000 lat po Wielkim Wybuchu powstały atomy
lekkich pierwiastków oraz zostało wyemitowane wspomniane mikrofalowe promieniowanie tła.
Rys. 2. Kosmiczny Teleskop Hubble'a (http://hubblesite.org/gallery/spacecraft/).
Pierwsze gwiazdy, jakie powstały we Wszechświecie, uformowane były z pierwotnego
materiału (czyli głównie wodoru i helu) i emitowały wysokoenergetyczne promieniowanie zdolne
do jonizacji atomów wodoru, tj. fotony o minimalnej energii 13.6 elektronowoltów. Proces ten
nazywany jest rejonizacją Wszechświata, gdyż ostatecznie neutralny wodór został zjonizowany,
czyli zaczął znowu istnieć w takiej formie, jak po Wielkim Wybuchu. Cięższe pierwiastki chemiczne
zaczęły formować się w procesach nukleosyntezy w gwiazdach, wzbogacając Wszechświat w metale.
W astrofizyce metalami nazywamy pierwiastki chemiczne cięższe od helu. Większość atomów,
z których jesteśmy zbudowani my i wszystko, co nas otacza, powstały właśnie w gwiazdach!!!
Tak naprawdę niewiele wiadomo o wspomnianej pierwszej generacji gwiazd, nazywanej też Populacją
III. Żaden taki obiekt nie został jak na razie zaobserwany. Wiemy, że metale, jakie one wyprodukowały,
wzbogaciły materiał, z którego powstały kolejne generacje gwiazd. I tak, ze względu na zawartość
metali, mówi się o Populacji II oraz Populacji I gwiazd. Już sporo wiemy o historii Wszechświata,
jednak wciąż pozostaje wiele niewiadomych.
Rys. 3. Odległe galaktyki zaobserwowane w głębokim polu Hubble'a.
Innym ekscytującym zagadnieniem współczesnej astronomii są obserwacje planet poza
Układem Słonecznym. Do tej pory (rok 2010) dzięki różnym metodom zaobserwowano już ok. 500
planet!!! Być może w pewnym momencie odkryjemy taką, na której może istnieć życie jak na Ziemi.
Astronomowie nie ustają w swoim dążeniu do głębszego zrozumienia otaczającej nas
rzeczywistości. Niewiarygodne odkrycia motywują do dalszego studiowania Wszechświata
i budowania nowych, bardziej zaawansowanych instrumentów do obserwacji. Z pewnością wielu
niespodziewanych informacji dostarczą teleskopy planowane, budowane przez ESO, jak Europejski
Ekstremalnie Wielki Teleskop (European Ekstremely Large Telescop, E-ELT), który będzie miał
średnicę 42 metrów I drugi planowany w Chile (do obserwacji w świetle widzialnym i podczerwieni)
czy też ALMA, Atacama Large Millimetre Array do obserwacji milimetrowych. Pozwoli to coraz lepiej
rozumieć otaczający nas świat nasze w nim miejsce.
Bardzo zachęcam do Was do pogłębiania wiedzy i dalszej lektury, poniżej podaję kilka
ciekawych linków.
Anna Raiter
Ciekawe linki (ang.):
Cosmology Tutorial:
http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm
ESO:
www.eso.org/public
zdjęcia: http://www.eso.org/public/images/archive/top100/
ESO VLT:
http://www.eso.org/public/teles-instr/vlt/index.html
E-ELT:
http://www.eso.org/public/teles-instr/e-elt.html
Na stronach ESO można tez znaleźć informacje o innych teleskopach, jak również o teleskopie
ALMA, który jest aktualnie budowany na pustyni Atacama w Chile.
HST (Hubble Space Telescope):
http://hubble.nasa.gov/
http://www.stsci.edu/resources/