[Cytadela] Świeca świecy nierówna

NewsBot - Aktualności · 13 Sierpnia 2009

Z pewnością do ważniejszych dat, będących swoistą cezurą w historii nowożytnych badań Wszechświata, zaliczyć można jakże już wydawałoby się odległy rok 1998 – wtedy to właśnie dwa niezależne od siebie zespoły badaczy Kosmosu (High-z Supernova Search Team oraz Supernova Cosmology Project) opublikowały prace naukowe, podsumowujące dokonywane przez nie obserwacje supernowych w odległych zakątkach Wszechświata. Najbardziej brzemienny w skutki bezpośredni wniosek, wysnuty na podstawie tych obserwacji, był co najmniej zaskakujący – ekspansja Wszechświata nie tylko nie zwalnia stopniowo, jak niektórzy przypuszczali, ale wręcz przeciwnie: rozszerzający się Wszechświat ekspanduje coraz szybciej.

Równocześnie to przełomowe odkrycie postawiło spory znak zapytania nad ówczesnym stanem wiedzy o “komponentach”, z których składa się Wszechświat. O ile większość społeczności naukowej zdążyła się w tym czasie już pogodzić z bardzo niewielkim wkładem “zwykłej” (złożonej z dobrze nam znanych cząstek elementarnych) materii, obejmującym zaledwie (szacunkowo) marne 4 procent całkowitej “zawartości” Wszechświata, o tyle konsekwencje wypływające w naturalny sposób z przyspieszającej ekspansji Wszechświata wydawały się jeszcze poważniejsze i bardziej kontrowersyjne – narodziło się wówczas pojęcie “ciemnej energii”, tajemniczego składnika Wszechświata, co do czego natury i składu zdania ciągle są mocno podzielone; warto też pamiętać o tym, że nie brak naukowców, którzy “ciemnej energii” jako takiej nie akceptują wcale i wysuwają alternatywne propozycje.

Cały ten rozgardiasz rozpoczął się od wspomnianych wyżej obserwacjach supernowych szczególnego typu, mianowicie supernowych Ia. Supernowe te to, zgodnie z naszą obecną wiedzą, białe karły, które, niecnie wykorzystując swego gwiazdowego partnera (najczęściej czerwonego olbrzyma) podkradają z niego materię. I jak to nierzadko bywa również wśród gatunku ludzkiego – zbytnia łapczywość w końcu nie popłaca, gdyż biały karzeł opychając się materią partnera osiąga w końcu masę zbliżoną do masy ok. 1,4 mas słonecznych (zwaną również granicą Chandrasekhara), która jest równoznaczna z nieodwołalną zagładą karła – po osiągnięciu tej krytycznej masy dochodzi do inicjacji zapłonu i niepozorny dotąd biały karzeł zamienia się w zasadzie w ogromną bombę termojądrową, niszcząc samego siebie i przy okazji stając się niezwykle jasnym źródłem światła, widocznym nawet z odległości miliardów lat świetlnych.

Jednak to nie ogromna odległość, z jakiej obserwujemy supernowe typu Ia, odgrywa w omawianym przypadku decydującą rolę (choć znaczenie oczywiście swoje ma). Szczęśliwie dla astronomów okazało się bowiem swego czasu, że supernowe Ia charakteryzują się również bardzo podobną krzywą blasku (zależnością jasności od czasu) jak i porównywalną jasnością absolutną. A ponieważ zdają się występować dość równomiernie w różnych typach galaktyk, stały się bardzo szybko niezastąpionymi wręcz tzw. świecami standardowymi, czyli obiekta o powtarzalnej, dobrze poznanej charakterystyce, które służą astronomom za doskonałe narzędzia do w miarę precyzyjnych pomiarów odległości we Wszechświecie.

Na tej charakterystycznej cesze supernowych typu Ia opierały się również wspomniane na początku badania związane z ekspansją Wszechświata. Odchylenia od przewidywanych jasności odległych supernowych zmusiły kosmologów do przyjęcia frapującej tezy, iż Wszechświat rozszerza się coraz szybciej – w inny sposób naukowcy nie potrafili wyjaśnić tego odchylenia. Osoba postronna może jednak szybko w takim razie zadać niełatwe wcale pytanie – skoro na podstawie obserwacji supernowych wysnuwa się tak dalekosiężne wnioski, na ile “pewną” są one miarą?

Niestety nie można odpowiedzieć na to pytanie w najprostszy sposób i stwierdzić, że wszystkie obserwowane supernowe typu Ia zachowują się identycznie i z tego względu jakiekolwiek korekty w trakcie pomiarów nie są konieczne. Wiele zależy tutaj od odpowiednio dużej próbki, jaka podlega obserwacjom oraz od wymaganej precyzji obserwacji. Planowane są obecnie zróżnicowane projekty, związane z ciemną energią, wymagające od badaczy znaczącego zmniejszenia skali błędu pomiarowego, co zmusza astronomów w pierwszej kolejności do upewnienia się co do jednego – jeśli różnice pomiędzy supernowymi istnieją, to od czego są zależne i w jaki sposób błędy pomiarowe z nimi związane można systematycznie wyeliminować.

W tym tygodniu w prestiżowym piśmie naukowym “Nature” opublikowana została praca naukowa zespołu badawczego, który za swój cel obrał rozpoznanie zagrożeń związanych właśnie ze zróżnicowaniem w rodzinie supernowych typu Ia. Główny autor pracy, Daniel Kasen z University of Califonia (Santa Cruz, USA) wraz ze współpracownikami – Stanem Woosleyem z tej samej uczelni oraz Fritzem Röpke z Max-Planck-Institut für Astrophysik (Garching, Niemcy) uzyskali w tym szczytnym celu dostęp do superkomputera Jaguar, znajdującego się w amerykańskim Oak Ridge National Laboratory, który, nawiasem mówiąc, znajduje się obecnie na drugim miejscu w rankingu najpotężniejszych superkomputerów na świecie. Ogrom obliczeń, jakie naukowcy zlecili do wykonania supermaszynie, zdaje się też usprawiedliwiać taki a nie inny wybór.

Zgodnie z tym, co powiada Kasen, nie od dziś mamy świadomość, że supernowe Ia mimo wszystko różnią się na przykład jasnością w ograniczonym, ale mimo wszystko rzeczywistym, stopniu. W międzyczasie, dzięki tej świadomości, opracowano też odpowiednie techniki korekcji błędów, które operując na dużej ilości obserwowanych supernowych potrafią takie różnice niwelować i tym samym odpowiednio “urealniać” otrzymywane wyniki. Jednak to nie do końca rozwiązuje sam problem – warto bowiem wiedzieć, co w ogóle powoduje takie różnice i tym samym lepiej poznać sposoby unikania związanych z tym błędów pomiarowych. Kasen i koledzy zaprzęgli więc Jaguara do tytanicznego zadania – stworzyli na rzecz swego projektu dwuwymiarowy model supernowej typu Ia, przy czym praca różniła się od poprzednich pod dwoma bardzo ważnymi względami – o ile wcześniejsze podobne symulacje były symulacjami jednowymiarowymi (ze względu na ogromne zapotrzebowanie na moc obliczeniową, nie zawsze dostępną), dotyczyły także supernowych, których wybuch był w zasadzie doskonale symetryczny, czyli przebiegał identycznie w każdym kierunku przestrzeni.

Kasen i jego zespół tymczasem przeszli w dwa wymiary (co spociło zapewne samego Jaguara), jednak co ważniejsze ich model uwzględniał brak symetryczności w trakcie wybuchu. Opierając się na przeprowadzonych symulacjach naukowcy wykazali, że większość różnic, obserwowanych w przypadku rzeczywistych supernowych typu Ia, wynika właśnie z chaotycznej natury procesów przebiegających w trakcie eksplozji oraz ich asymetryczności. Asymetria wydaje się być kluczowym elementem – zależnie od nieprzewidywalnego przecież przebiegu eksplozji dwie różne supernowe mogą wykazywać wahania w absolutnej jasności.

“Rozpracowanie” tego mechanizmu pozwoli naukowcom na stworzenie jeszcze lepszych narzędzi, które przy założeniu, że badana jest odpowiednio duża próbka supernowych, pozwolą na rosnące minimalizowanie błędu pomiarowego. Co prawda, jak zauważa sam Kasen, konieczne będzie jeszcze stworzenie odpowiednich symulacji biorących pod uwagę zróżnicowany skład chemiczny supernowych w zależności od wieku samego Wszechświata, który to może mieć co prawda niewielki ale jednak rzeczywisty wkład w błędy pomiarowe, to samo dotyczy drobnych różnic związanych z kątem, pod jakim obserwowana jest eksplozja. Kolejnym natomiast krokiem, wymagającym jednak naprawdę potężnego sprzętu obliczeniowego, jest przeniesienie symulacji w trzy wymiary.

Chcąc zbadać naturę ciemnej energii – przykładowo szukając odpowiedzi na frapujące pytanie, czy ciemna energia zmieniała swoje właściwości w trakcie ewolucji Wszechświata czy też jej cechy były “stałe” – konieczne jest znaczące usprawnienie dokładności pomiarów odległości na przestrzeni miliardów lat. A ponieważ supernowe Ia w dalszym ciągu są jak najbardziej idealnymi kandydatkami na świece standardowe, konieczne jest opracowanie metod pozwalających pomiary odległości do tych supernowych wykonywać z niespotykaną dotąd dokładnością. Praca Kasena i kolegów jest kolejnym krokiem w tym kierunku, co, miejmy nadzieję, pozwoli w końcu przybliżyć się naukowcom do tajemnicy związanej z ciemną energią.

Praca naukowców w “Nature”

Źródła:

Grafika: To jeden z obrazów uzyskanych w trakcie symulacji – widoczny jest asymetryczny przebieg eksplozji supernowej, kolory natomiast przedstawiają różne pierwiastki powstające w trakcie wybuchu (przykładowo barwa czerwona to nikiel-56)

Źródło grafiki

Credit: D. Kasen et al.

Wyświetl pełny artykuł