Porządek zamiast chaosu, różnorodność zamiast pustki
Seria obserwacji galaktyk karłowatych poruszających się wokół większej galaktyki sugeruje, że standardowo stosowany model kosmologiczny może wymagać aktualizacji. Astronomowie zaobserwowali, że czternaście z szesnastu galaktyk karłowatych orbitujących wokół galaktyki soczewkowatej Centaurus A porusza się wokół tej samej płaszczyzny. Zgodnie z symulacjami opartymi na najpopularniejszym modelu, nazywanym Lambda-CDM, takie zachowanie powinno być relatywnie nietypowe i występować w najwyżej 0,5% systemów galaktyk. Tymczasem Droga Mleczna, Andromeda, a także Centaurus A, są otoczone galaktykami krążącymi wokół tej samej płaszczyzny. Prawdopodobieństwo, że taka sytuacja wydarza się w trzech bliskich nam galaktykach przypadkowo, jest bliskie zeru.
- Zgodnie z przyjętym modelem duże galaktyki powinny składać się głównie z niewidzialnej ciemnej materii, zaś mniejsze galaktyki satelitarne powinny być rozmieszczone losowo wokół większych galaktyk - mówił w prezentacji dla prasy Federico Lelli z Europejskiego Obserwatorium Południowego (European Southern Observatory - ESO), jeden z autorów badania.
Współczesne symulacje opierają się na założeniu, że Wszechświat jest zdominowany przez ciemną materię i ciemną energię, choć wciąż jeszcze nie znaleziono bezpośrednich dowodów istnienia ani jednej, ani drugiej. Pierwsza ma grawitacyjny wpływ na zwykłą materię. Istnienie ciemnej materii pomaga np. wyjaśnić, w jaki sposób rotuje galaktyka. Ciemna energia jest z kolei odpowiedzialna za ekspansję Wszechświata. Za nietypowy ruch galaktyk karłowatych, jak przypuszczają niektórzy uczeni, może odpowiadać ciemna materia, ale dlaczego w taki właśnie sposób - to zagadka.
Nie pierwsza zresztą i zapewne nie ostatnia. Ich liczba, w miarę pojawiania się nowych instrumentów obserwacyjnych i badawczych, kolejnych danych oraz zaobserwowanych fenomenów, szybko rośnie. Coraz częściej naukowcy drapią się w głowę, widząc to, co przychodzi z obserwatoriów. Pół biedy, gdy obserwacje nie zgadzają się z jakimiś roboczymi założeniami. Gorzej, jeśli kruszy się budowana od dekad wielka teoria. A właśnie to można powiedzieć o naszym pojmowaniu czarnych dziur.
Dziura pełna niespodzianek
Pod koniec 2017 r. Eduardo Bañados wraz zespołem z Carnegie Institution for Science, połączywszy dane zgromadzone przez satelitę WISE i naziemne teleskopy, dokonał niezwykłego odkrycia. Około 13,1 miliarda lat świetlnych od Ziemi zidentyfikowano supermasywną czarną dziurę. Jej masa i wiek były zaskakujące. 800 milionów mas Słońca - to bardzo wiele jak na obiekt, który znajduje się ponad 13 miliardów lat świetlnych od nas. Biorąc pod uwagę wiek Wszechświata, który szacowany jest na 13,7 miliarda lat, naukowcy doszli do wniosku, że nowo odkryta czarna dziura już 690 milionów lat po tzw. Wielkim Wybuchu osiągnęła gigantyczną masę. Jak twierdzą badacze, nie chodzi o to, że jest to niemożliwe, ale dziwne. Nie wykluczają, że w odkryciu tkwi wskazówka wiodąca do zupełnie nowej teorii, dotyczącej nie tylko czarnych dziur, ale także, kto wie, samego początku Wszechświata.
Jak się też okazuje dzięki nowym obserwacjom, wokół czarnych dziur „wieją” niezwykle silne wiatry, „zwiewające” im posiłek, czyli materię w postaci gazów. Wynika tak z badań Bailey Tetarenko, doktorantki z Uniwersytetu Alberty w Kanadzie. Nie wiadomo, co powoduje te kosmiczne wichury. Uczeni podejrzewają pola magnetyczne, bo - owszem - czarne dziury mają swoje pola magnetyczne, co też jest swoistą niespodzianką wynikającą z badań z ostatnich lat.
W dodatku, jak wynika z ustaleń Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Eksploracji Astrofizycznych Uniwersytetu Północno-Zachodniego (CIERA), w rozwiewanej wokół czarnych dziur materii występują złożone molekuły, co wydaje się niezwykłe przy tak silnych energiach oddziałujących tam na gaz kosmiczny. Naukowcy są zdania, że cząsteczki powstają właśnie dzięki energii czarnej dziury. Teoria ta zostanie przetestowana przez Teleskop Jamesa Webba wiosną 2019 r. Jeśli jest poprawna, teleskop szczegółowo zmapuje materię wokół czarnej dziury za pomocą obserwacji w zakresie promieniowania podczerwonego.
Coś tu się nie zgadza
Anomalie odnotowywane są ostatnio nieomal seryjnie. Nowe pomiary międzynarodowego zespołu astronomów (H0LiCOW - H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring) wykonane za pomocą Teleskopu Hubble’a, a polegające na obserwacji ruchu pięciu wybranych galaktyk względem odległych kwazarów, wykazują niezgodność tempa ich ucieczki z tzw. stałą Hubble’a i przyjętymi poglądami na ekspansję Wszechświata. Niektórzy sądzą, że z tych najnowszych odkryć przebija echo zupełnie nowej fizyki, na razie nam nieznanej.
Idąc dalej tropem pojawiających się wątpliwości w sprawach fundamentalnych, zespół badawczy z Uniwersytetu Case Western Reserve odkrył nową zależność w galaktykach spiralnych i nieregularnych - przyspieszenie obserwowane w krzywych rotacji zgadza się z przyspieszeniem grawitacyjnym pochodzącym od samej widzialnej masy. W artykule, który ukazał się w czasopiśmie „Physical Review Letters”, fizycy dowodzą, że odkryta przez nich zależność może być uważana za nowe prawo natury i w dodatku może negować istnienie ciemnej materii.
W lipcu media doniosły, że naukowcy odkryli największy i najdalej od nas położony obiekt w kosmosie - supergromadę galaktyk o nazwie Saraswati. Jej istnienie i historia zaskoczyły naukowców. Supergromada odkryta przez badaczy z indyjskiego Międzyuniwersyteckiego Centrum Astronomii i Astrofizyki (IUCAA) ma rozpiętość 600 mln lat świetlnych od krańca do krańca, a jej masę szacuje się na równowartość 20 biliardów Słońc. To, że Saraswati ma przynajmniej 4 miliardy lat za sobą, jest zaskakujące dla naukowców, biorąc pod uwagę, że według dotychczasowych badań supergromady o podobnych rozmiarach w połączeniu z odnotowanym wiekiem nie powinny w ogóle istnieć.
Inne podobnego rodzaju zaskoczenie wynika z badań brytyjsko-holenderskiego zespołu badawczego, którym kierował Christopher Conselice, profesor astrofizyki na Uniwersytecie w Nottingham (Wielka Brytania). Z ustaleń uczonych wynika, że galaktyk jest dużo więcej niż przypuszczaliśmy - i to dziesięć, a może nawet dwadzieścia razy.
Czasem obserwacje, na które laik nie zwróci szczególnej uwagi, po przeprowadzeniu wnioskowania naukowego prowadzą do daleko idących konsekwencji. Z obserwacji wykonanych z użyciem spektrografu FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph), zainstalowanego na jednym z teleskopów VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop) w Chile, wynika, że Mgławica Tarantula zawiera więcej masywnych gwiazd, niż zgodnie z matematycznymi obliczeniami powinna.
Ustalono temperatury 452 z tych gwiazd, ich prędkości obrotowe, grawitację powierzchniową oraz jasność. Masa 247 z nich około piętnastokrotnie przekracza masę Słońca. Naukowcy odnaleźli o 32% więcej gwiazd o masie, która 30-krotnie przekracza masę Słońca, i o 72% więcej gwiazd o masie, która przekracza ją 60-krotnie, w stosunku do przewidywań. Znaleziono nawet dowody na istnienie gwiazd, których masa przekracza hipotetyczną maksymalną masę gwiazdową, wynoszącą 150 mas Słońca.
Jeżeli we wczesnym Wszechświecie istniałoby więcej obszarów takich jak Mgławica Tarantula, to mógłby on zawierać więcej ogromnych gwiazd, niż zakładają przyjęte modele. Większa liczba masywnych gwiazd to w konsekwencji więcej czarnych dziur i supernowych, co prowadziłoby m.in. do częstszych zderzeń czarnych dziur, większego natężenia fal grawitacyjnych oraz większych ilości cięższych pierwiastków we Wszechświecie, niż nam się do tej pory wydawało. Więc coś tu znowu się nie zgadza.
Supernowa wybucha dwa razy, olbrzym znika…
Pod wpływem ostatnich obserwacji należałoby się poważnie zastanowić np. nad teoriami dotyczącymi cykli życiowych gwiazd i supernowych. Po tym jak uczonym udało się zaobserwować gwiazdę, która wybuchła po raz drugi w ciągu ostatnich sześćdziesięciu lat, wypadałoby przemyśleć kilka spraw jeszcze raz. Mowa o przypadku, gdy naukowcy natrafili w archiwach na dowody mówiące o eksplozji obiektu iPTF14hls w okolicach 1954 r. - podczas gdy „supernowa” przetrwała to wydarzenie i eksplodowała ponownie w 2014 r..
To nie koniec przykładów nietypowych zjawisk. Trzy lata temu niespodziewanie zniknął czerwony nadolbrzym N6946-BH1 w galaktyce spiralnej NGC 6946. Podczas poszukiwań nie udało się znaleźć żadnego śladu po gwieździe. Jeszcze w 2007 r. wyglądała ona zupełnie normalnie, lecz dwa lata później na okres kilku miesięcy stała się niezwykle jasna - emitowała ponad milion razy więcej światła od Słońca. W 2015 r. czerwony nadolbrzym po prostu zgasł. Astronomowie rozpoczęli poszukiwania z pomocą Wielkiego Teleskopu Lornetkowego (LBT) oraz teleskopów kosmicznych Hubble'a i Spitzera. W miejscu, gdzie powinien znajdować się czerwony nadolbrzym, wykryto jedynie niewielkie ilości promieniowania podczerwonego. Badacze ostatecznie wysunęli przypuszczenie, że gwiazda najwyraźniej zamieniła się w czarną dziurę, co znów nie wydaje się całkiem niemożliwe, ale niezupełnie zgadza się z teoriami dotyczącymi cyklu życiowego gwiazd.
To nasz Układ jest nietypowy
Schodząc ze świata gwiazd na niższy poziom - do układów planetarnych, mnożące się detekcje i obserwacje egzoplanet również każą nam zweryfikować wiele wyobrażeń, teorii i modeli. Zaczęła się nawet ponownie dyskusja na temat samej definicji planety, bo wokół innych gwiazd widzimy coraz częściej rzeczy, które zupełnie nie mieszczą się w naszych tradycyjnych wyobrażeniach.
Trudno zachować niezmącony spokój po takich odkryciach jak to, o którym w listopadzie ub. roku poinformowali astronomowie z Uniwersytetu Warwick. Znaleźli oto egzoplanetę, która według naszej wiedzy w ogóle nie powinna istnieć. NGTS-1b jest lżejsza od Jowisza, ale jednocześnie od niego sporo większa i orbituje wokół gwiazdy będącej czerwonym karłem typu widmowego M, który ma połowę masy i średnicy naszego Słońca. Jak tak ogromna planeta uformowała się w okolicy równie małej gwiazdy? I dlaczego jest taka lekka?
Z kolei odkryty przez Kosmiczny Teleskop Spitzera obiekt OGLE-2016-BLG-1190Lb, krążący wokół gwiazdy w centrum naszej Galaktyki, masą trzynastokrotnie przewyższa Jowisza i nie wiadomo czy jest planetą, czy może już czymś innym - jakąś hybrydą planetarno-gwiazdową?
Początkowo zakładano, że inne układy planetarne będą podobne do naszego, ale w miarę poznawania kolejnych egzoplanet, dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Keplera oraz Teleskopom Kecka z obserwatorium na Manu Kea na Hawajach, naukowcy zweryfikowali tę tezę. W badaniach, które opublikowano na łamach „The Astronomical Journal” badacze z Uniwersytetu w Montrealu przeanalizowali 909 planet w 355 różnych układach, oddalonych od Ziemi od tysiąca, do czterech tysięcy lat świetlnych. We wszystkich zaobserwowali regularność - planety są podobnych rozmiarów i krążą po orbitach w dość równych odstępach. Nasz układ wyłamuje się jednak z tej zasady i wygląda jak wymieszanie kilku innych. Występujące w nim planety mają różną wielkość, zbudowane są z różnych materiałów, a odległości pomiędzy ich orbitami wydają się mocno zróżnicowane.
Badacze znaleźli pewną prawidłowość - jeżeli zdarza się, że w układzie występują jakieś różnice w wielkości planet, to ta najbliższa gwieździe jest z reguły mniejsza. W naszym układzie tak właśnie wygląda Merkury, który krąży najbliżej Słońca i pozostaje najmniejszą z planet. Krążące dalej Wenus i Ziemia są od niego większe i mają zbliżoną do siebie wielkość, jednak krążący dalej Mars jest prawie o połowę mniejszy! Dalej ta prawidłowość również się nie sprawdza, ponieważ poza pasem planetoid krąży największa z planet - Jowisz, a z kolei znajdujące się za nim Saturn, Uran i Neptun są już mniejsze.
Naukowcy winą za to zamieszanie obarczają dwa z występujących w naszym układzie gazowych gigantów - Jowisza i Saturna. Według Konstantina Batygina z California Institute of Technology, Jowisz powstał nieco wcześniej niż pozostałe planety, które znamy dzisiaj. Wraz z nim mogły wtedy powstać również super-ziemie (planety o budowie zbliżonej do Ziemi, jednak przewyższające ją masą i średnicą). Początkowo znajdował się na dalszej orbicie niż dzisiaj, jednak zaburzenia grawitacyjne ściągnęły go w kierunku Słońca. Ta wędrówka Jowisza zniszczyła super-ziemie. Być może nasz układ tak wyglądałby do dzisiaj, gdyby nie formowanie się Saturna. Jego oddziaływanie grawitacyjne odciągnęło Jowisza od Słońca, a wtedy z gruzu pozostałego po super-ziemiach powstały dzisiejsze planety wewnętrzne.
W odkryciu, że nasz Układ Słoneczny jest również anomalią, tkwi ten sam potencjał naukowego zaskoczenia, każącego weryfikować ustalone paradygmaty i przyzwyczajenia myślowe, co w opisanych wyżej przypadkach z odległego kosmosu. Uwalnia nas to od schematu myślenia o systemach egzoplanetarnych, każącego szukać analogii z naszą kosmiczną okolicą.
A jeśli już jesteśmy w Układzie Słonecznym, to zwróćmy uwagę, jak rewolucjonizują nasz obraz Jowisza nowe zdjęcia wykonane przez sondę Juno, publikowane regularnie przez NASA. Szczegóły obrazu Plutona niczego nie zmieniały, bo nie mieliśmy o nim żadnego wyobrażenia, jednak Jowisz zagościł już w naszej wyobraźni. Teraz musimy ten wizerunek radykalnie zweryfikować. Zdjęcia Juno ukazują niesamowite, tętniące życiem pasy białych, żółtych, czerwonych i brązowych chmur, wirujące i kotłujące w niezwykłych kompozycjach.
Czasami jednak się zgadza
Oczywiście nie zawsze nowe, coraz dokładniejsze obserwacje przynoszą niespodzianki i każą weryfikować teorie. Bywa, że są perfekcyjnie z nimi zgodne. Astronomom udało się np. w ostatnich miesiącach zbadać powierzchnię znajdującej się poza Układem Słonecznym gwiazdy π1 Gruis, która jest bardzo starym, chłodnym, czerwonym nadolbrzymem. Dzięki wykorzystaniu instrumentu PIONIER i teleskopu VLT wykonano bardziej szczegółowe analizy tego obiektu niż to było do tej pory możliwe. Okazało się, iż znajduje się na niej tylko kilka komórek konwekcyjnych (granul) o rozmiarach ok. 120 milionów km. I wszystko tu się zgadza z przewidywaniami naukowców.
Gwiazda Gruis już dawno temu wyczerpała swój wodór do reakcji termojądrowych i ukończyła pierwszą fazę syntezy. W wyniku braku energii skurczyła się, a to doprowadziło do jej rozgrzania do ponad 100 milionów stopni Celsjusza. Wysoka temperatura umożliwiła rozpoczęcie kolejnej fazy, polegającej na fuzji helu w cięższe pierwiastki, takie jak tlen i węgiel. Następnie gorące jądro odrzuciło zewnętrzne warstwy i spowodowało napęcznienie gwiazdy do niesamowitych rozmiarów. Po raz pierwszy w historii powierzchnia takiej gwiazdy została szczegółowo sfotografowana.
Nie mamy teorii wszystkiego, więc gdy napotykamy na anomalie, których nie umiemy wytłumaczyć, możemy powiedzieć "OK, to możliwe". Nie rozumiemy bowiem wielu rzeczy, a kosmologia stanowi na razie niedokończoną mozaikę, w której wciąż robimy poprawki. Może zresztą w opisanych wyżej anomaliach tkwią tropy do znacznie większych zasad i teorii? Dlatego nie warto upierać się, że jest tak, "jak to zostało ustalone", i lepiej zachować otwartość.
