Kosmiczne potwory – 5 najbardziej energetycznych zjawisk we wszechświecie

We wszechświecie wszystko lubi jakoś błyskać, promieniować, implodować, wybuchać, pulsować – po prostu emanować energią. Najczęściej jest to energia trudna do ogarnięcia, w sekundę wielokrotnie przewyższająca cały dorobek energetyczny jaki wypracowała i prawdopodobnie jaki zdoła wypracować ludzkość podczas swojego istnienia.

Gwiazdy

Kosmiczne potwory – 5 najbardziej energetycznych zjawisk we wszechświecie

Arktur, wizja artystyczna.

Zaczniemy spokojnie, od bliskiej nam wszystkim kuli wodoru i helu o średnicy ponad stokrotnie większej od ziemskiej. W jądrze Słońca, w ogromnym ciśnieniu i przy temperaturze 15 milionów ºC odbywa się proces syntezy termojądrowej. Właśnie to niezwykle efektywne zjawisko, z takim zapałem starają wykorzystać zespoły badawcze pracujące przy reaktorach termonuklearnych (patrz program ITER). Oczywiście na o wiele mniejszą skalę. Zanim skończycie czytać ten akapit, Gwiazda Dzienna przetworzy na hel około miliard ton wodoru, a 4-5 milionów ton jej masy zostanie wyemitowane jako energia pod postacią fotonów i neutrin. Efekt tej tytanicznej pracy dostrzegamy tylko częściowo – w końcu jest widno i czujemy ciepło – jednakże 2/3 promieni docierających do powierzchni naszej planety (spora część nie pokonuje atmosfery) nadawanych jest w spektrach innych niż światło widzialne.

Ale nawet początkujący amator astronomii wie, że Słońce i tak wypada blado na tle większych kolegów. Pomyślmy o setkach jasnych punkcików jakie możemy zaobserwować gołym okiem na nocnym nieboskłonie; niektóre z nich widzimy całkiem wyraźnie mimo dystansu tysiąca lat świetlnych. Przecież odległy o 800 lat świetlnych Rigel, to szósta najjaśniejsza gwiazda widoczna z Ziemi! To naprawdę doskonały wynik, zważywszy na to, ile trudności potrafi przysporzyć wytropienie niektórych obiektów znajdujących się najbliższym sąsiedztwie naszej planety. Słońce postawione obok tego osiemnastokrotnie bardziej masywnego nadolbrzyma, wyglądałoby jak ledwo tlący się węgielek przy 200-watowym halogenie. 

Dyski akrecyjne
Dysk akrecyjny czarnej dziury

Lata ’60 to początek poważnych rozważań na temat czarnych dziur. Wszyscy wielcy ówczesnej nauki głowili się nad podstawowym pytaniem: jak zobaczyć coś, czego z definicji nie widać? Odpowiedź okazała się nie taka trudna, skoro bowiem mamy do czynienia z ekstremalnie masywnym obiektem, to wywoływane przezeń efekty grawitacyjne powinny wiązać się z równie potężnymi energiami. Przełom nastąpił wraz z publikacją pracy dwóch radzieckich fizyków, Aleksandra Nowikowa i Jakowa Zeldowicza, którzy opisali mechanizm opadania gazu na horyzont zdarzeń. Naukowcy postawili tezę, iż czarna dziura z zapewnioną stałą dostawą paliwa – np. otoczona mgławicą – jarzyłaby się nie słabiej niż przeciętna gwiazda! Kosmiczny obżartuch ma ograniczoną powierzchnię i nie może skonsumować całej otaczającej go materii na raz. Mocno ściśnięte cząsteczki gazu krążą więc wokół dziury rozgrzewając się do imponujących temperatur.

Rychło okazało się, że najlepiej polować na potwory należące do układów podwójnych. Gdy dorodna gwiazda znajduje się niebezpiecznie blisko czarnej dziury, ulega powolnemu rozrywaniu i wchłanianiu przez partnera. Dokładnie taki taniec śmierci rozgrywa się w odległości 6 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. W układzie Cygnus X-1 gwiazda dwudziestokrotnie większa od Słońca jest konsumowana przez maleńki obiekt rozgrzany do temperatury 10 milionów ºC. W ten sposób, niektóre czarne dziury potrafią być naprawdę jaskrawe, zwłaszcza w zakresie fal rentgenowskich.

Supernowe i hipernowe
Wybuch hipernowej

Mówiąc o wielkich energiach nie można nie wspomnieć o starych, dobrych supernowych. Schemat ich powstawania był już omawiany na łamach bloga wiele razy (choćby tu i tu, Węglowy również), toteż ograniczę się do informacji najistotniejszych. Supernowa typu II – czyli najsilniejszego – to nic innego jak monstrualna eksplozja gwiazdy. Gdy tłuściutka staruszka przemieli co lżejsze pierwiastki, w wyniku syntezy zaczyna powstawać żelazo. W tym momencie gwiazda doznaje nagłego ataku niestrawności, hamującego normalny metabolizm, który przez miliony lat nie pozwalał jej zapaść się samej w sobie. Atomy żelaza nie nadają się na termojądrowe paliwo, więc najczarniejszy scenariusz staje się faktem: zewnętrzne warstwy olbrzyma z wielką prędkością spadają na jego jądro.

W środku tego piekła rodzi się gwiazda neutronowa lub czarna dziura, ale nas bardziej interesuje los plazmy, która nie doznała zmiażdżenia. Wyobraźmy sobie materię o masie miliona Ziem lub większej, która ulega gwałtownemu odbiciu – takie wydarzenie wyróżnia się na tle całej galaktyki i pozostawia po sobie majestatyczne mgławice o średnicy kilku lat świetlnych.

Powoli przyjmuje się odrębna kategoria – jak wskazuje nazwa – jeszcze potężniejszych, hipernowych. Takie obiekty jak SN 1998bw czy SN 2005ap nie tylko kilkukrotnie przebiły swoimi energiami klasyczne eksplozje gwiazd, ale też zawierały bonus, w postaci towarzyszących im rozbłysków gamma (o czym za chwilę). Dokładny mechanizm tak silnych zjawisk pozostaje przedmiotem spekulacji, jednak prawdopodobnie wiąże się ze śmiercią hiperolbrzymów o masach ponad stu Słońc.

Rozbłyski gamma
Rozbłysk gamma

Rozbłysk trwa zazwyczaj kilka sekund, lecz przez ten krótki moment pozostaje jednym z najbardziej śmiercionośnych wyładowań w swoim rejonie kosmosu. Kiedy promieniowanie pochodzące z GRB (Gamma-Ray Burst) dotarło do Ziemi w roku 1960, amerykański system bezpieczeństwa US Vela zwariował, wskazując że ich źródło musi znajdować się gdzieś blisko, najpewniej pochodzić z testów radzieckich bomb jądrowych. Niemały szok przyniosła kilkanaście lat później informacja, że wyraźnie wyczuwalna przez przyrządy porcja promieni gamma, przybyła do naszej planety z… drugiego krańca Drogi Mlecznej.

Natura rozbłysków gamma nie jest pewna. Dość powszechnie przyjął się pogląd polskiego astrofizyka Bohdana Paczyńskiego, jakoby za GRB stały zderzenia dwóch gwiazd neutronowych, względnie czarnej dziury z gwiazdą neutronową. (Dla niedoinformowanych: to taki stwór, który mimo małych rozmiarów posiada nienaturalnie dużą masę. Jednocześnie pozostaje na tyle uprzejmy, tj. brakuje mu trochę masy, aby nie chować swojego jestestwa poprzez zapadanie się w sobie.) Jak łatwo się domyśleć, układ w którym dwa niemiłosiernie masywne i gęste obiekty obracają się wokół siebie z gigantyczną prędkością, nie wróży nic dobrego. Według Shrinivasa Kulkarniego zderzenie takich ekstremów może w mgnieniu oka wytworzyć energię kilkaset razy większą niż ta, którą wyemitowało Słońce w czasie swojego dotychczasowego życia.

Charakterystyczne jest przybieranie przez rozbłysk nie tyle formy eksplozji co zwartej wiązki, nieco przypominającej budową dżety. Mamy więc do czynienia z czymś w stylu śmiertelnie groźnej latarni morskiej. Ma to jednak ma swoje zalety: lwia część energii zostaje skupiona w strumień, co zmniejsza obszar zniszczeń i prawdopodobieństwo trafienia choćby w naszą planetę. A jest się czego obawiać. Wysokoenergetyczne fotony promieniowania gamma, w odpowiednim natężeniu zdewastowałyby naszą atmosferę i wysterylizowałyby życie na Ziemi. Aby doszło do takiej katastrofy, wystarczy aby w odległości kilku tysięcy lat świetlnych nastąpił jeden, kilkusekundowy wycelowany w nas błysk.

Kwazary
Artystyczna wizja kwazaru

Skoro powiedzieliśmy już o zjawiskach stanowiących wydarzenie w życiu galaktyki, pora przejść do sensacji w skali całego uniwersum. Kwazary znajdują się bardzo daleko poza granicami naszej galaktyki; ściślej mówiąc mrugają zalotnie do radioastronomów z samych krańców obserwowalnego wszechświata. Weźmy na ten przykład odkryty w roku 2011 obiekt ULAS J1120+0641, którego światło – około stu razy silniejsze od światła przeciętnej galaktyki – zostało wyemitowane 12,9 miliarda lat temu.

Z czym tak naprawdę mamy do czynienia? Obserwacje dowiodły, że źródło jasności przebijającej zsumowaną moc setek miliardów gwiazd, mieści się na obszarze o średnicy maksymalnie kilku lat świetlnych, a więc wyjątkowo małym wobec wielkości o których mówimy. (Ciekawi was w jaki sposób badacze oceniają wielkość punktu oddalonego o kilkanaście miliardów lat świetlnych? Słusznie, bo to interesująca i zmyślna metoda – jednak aby ją poznać, musicie poczekać na tekst poświęcony samym kwazarom.) Obecnie jesteśmy niemal pewni, że kwazary to po prostu jądra wyjątkowo aktywnych galaktyk. Jak pewnie wiecie, życiem centrum każdej dużej galaktyki dyryguje supermasywna czarna dziura, o masie nawet kilku miliardów Słońc. Zasada działania takiego monstrum rysuje się podobnie do przywołanych wcześniej dysków akrecyjnych towarzyszących zwykłym dziurom, tyle że na znacznie większą skalę. Potworny silnik potrzebuje niebotycznych ilości paliwa, pożerając od kilku do nawet kilkuset gwiazd rocznie. Oczywiście taka biesiada nie może trwać wiecznie i po pewnym czasie, odcięta od pożywienia czarna dziura usypia. Istnieje teoria, według której większość galaktyk, w tym Droga Mleczna, funkcjonowało kiedyś jako galaktyki aktywne, jednak wraz z uspokajaniem się centralnych czarnych dziur, ich jądra powoli przygasały.
Kwazar 3C 273

Dżet wydobywający się z kwazara 3C 273.

Nie można zapomnieć o jeszcze jednym, niezwykle malowniczym przejawie potęgi kwazarów. W pobliżu horyzontu zdarzeń naładowane cząstki są przyśpieszane przez oscylujące pola magnetyczne, co przypomina olbrzymie dynamo. W niektórych przypadkach dochodzi do oszałamiającego wyrzutu materii w formie dwóch, prostopadłych do dysku akrecyjnego strug rozpostartych na dystans wielu tysięcy lat świetlnych. Zamieszczone powyżej zdjęcie Teleskopu Hubble’a przedstawia kwazar oddalony o 2,5 miliarda lat świetlnych. Zaznaczony kwadratem jasny pas, to strumień cząstek pędzących z prędkością bliską światłu, rozciągający się na odległość ponad 20 tysięcy lat świetlnych!

Literatura uzupełniająca:
M. Begelman, M. Rees, Ta siła fatalna: Czarne dziury we Wszechświecie, Warszawa 1999;
I. Nowikow, Czarne Dziury i Wszechświat, Warszawa 1995;
Okryto najdalszy kwazar, [online: www.eso.org/public/poland/news/eso1122/];
D. Chow, Brightest Explosion In the Universe Ever Seen Defies Astronomy Theories, [online: www.space.com/23684-brightest-gamma-ray-burst-mysteries.html/].
Skąd LIGO wie, że to czarne dziury? Nobel za test najważniejszej nierówności świata – rozwlekle, ale za to niezbyt przejrzyście Reakcja syntezy: dobierzmy się do energii gwiazd!