28 lutego 2016

Młode gwiazdy żywią się materią z obłoku, w którym powstały

Międzynarodowy zespół kierowany przez badaczy z Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) korzystając z nowej techniki obrazowania w podczerwieni, ujawnił dramatyczne chwile w procesie formowania się gwiazd i planet. Wydaje się, że następuje to w chwili, gdy materia opada w kierunku bardzo aktywnych młodych gwiazd, które następnie żywią się nią, nawet wtedy gdy pozostają ukryte wewnątrz obłoków, w których się rodzą. Zespół wykorzystał kamerę HiCIAO (High Contrast Instrument dla Subaru Next-Generation Adaptive Optics) z 8-metrowego teleskopu Subaru na Hawajach, do obserwacji grupy nowo powstałych gwiazd. Wyniki ich pracy rzucają nowe światło na zrozumienie tego, w jaki sposób powstają gwiazdy i planety.

Gwiazdy powstają, gdy ogromne obłoki pyłu i gazu zapadają się pod wpływem własnej grawitacji. Uważa się, że planety powstają mniej więcej w tym samym czasie co ich gwiazdy, z tego samego dysku materii. Jednakże wciąż jest wiele tajemnic dotyczących szczegółowych procesów fizycznych, jakie zachodzą podczas formowania się planet i gwiazd.

Ogromne skupisko gazu i pyłu, z którego powstają gwiazdy nazywamy obłokiem molekularnym, ponieważ w dużej mierze składają się z cząsteczek wodoru, oraz innych gazów. Z biegiem czasu grawitacja w gęstych obszarach tych obłoków gromadzi się w postaci otaczającego gazu i pyłu, w procesie zwanym akrecją. Często zakłada się, że proces ten jest płynny i ciągły. Jednakże to stałe opadanie materii tłumacz jedynie niewielką część końcowej masy każdej gwiazdy, która rodzi się w obłoku. Astronomowie wciąż pracują nad zrozumieniem, kiedy i którym momencie pozostała materia jest zbierana w trakcie procesu narodzin planet i gwiazd. Znanych jest kilka gwiazd, które są związane z nagłym i gwałtownym procesem “karmienia się” gwiezdnym środowiskiem, w którym powstały. Gdy “obżerają” się materią z otaczającego je środowiska, ich światło widzialne nagle wzrasta o współczynnik około 100. Te nagłe rozbłyski jasności nazywane są “rozbłyskami FU Orionis”, ponieważ po raz pierwszy wykryto je przy tej gwieździe.

Nie odkryto dotąd zbyt wielu gwiazd, które można by powiązać z takimi rozbłyskami - zaledwie kilkanaście tysięcy. Jednakże astronomowie przypuszczają, że u wszystkich młodych gwiazd może nastąpić taki rozbłysk jako część procesu ich wzrostu. Powodem, dla którego widzimy rozbłysk FU Ori tylko dla kilku nowo narodzonych gwiazd jest fakt, że są one stosunkowo spokojne przez większość czasu.

Jedno z kluczowych pytań dotyczących aspektu tajemnicy narodzin gwiazd jest takie: jakie są szczegółowe mechanizmy fizyczne tych rozbłysków? Odpowiedź leży w obszarze otaczającym gwiazdy. Astronomowie wiedzą, że optyczne rozbłyski związane są z dyskiem materii blisko gwiazdy, zwanym dyskiem akrecyjnym. Staje się ona znacznie jaśniejsza, gdy dysk zostanie podgrzany do temperatury od około 700 do 1200* C.

Międzynarodowy zespół kierowany przez doktorów z ASIAA - Hauyu Baobab Liu i Hiro Takami, wykorzystał nową technikę obrazowania dostępną na teleskopie Subaru, aby rozwiązać problem tego typu rozbłysków. Technika ta - polimetria obrazowania koronografem - daje ogromne korzyści w obrazowaniu środowisk dysków. W szczególności jego wysoka rozdzielczość kątowa oraz czułość pozwalają astronomom łatwiej “zobaczyć” światło z dysku.

Dysk wokół gwiazdy to mieszanka gazu i pyłu. Ilość gazu jest znacznie mniejsza, niż ilość pyłu w obłoku, więc ma niewielki wpływ na ruch materii. Jednakże cząstki pyłu rozpraszają światło gwiazdy centralnej, oświetlając całą otaczającą ją materię. Kamera HiCIAO umieszczona na teleskopie Subaru pozwoliła astronomom obserwować rozbłysk FU Ori czterech gwiazd.

Zespół wziął na cel cztery gwiazdy zlokalizowane w odległości 1500-3500 lat świetlnych od Ziemi. Obrazy tych rozbłyskujących nowo narodzonych gwiazd były zaskakujące i fascynujące, i nigdy wcześniej nie obserwowane wokół młodych gwiazd. Trzy z nich mają niezwykłe “ogony”. Na przykład jedna pokazuje “ramię” - strukturę powstałą przez ruch materii wokół gwiazdy. Inna ukazuje dziwne, kolczaste struktury, które mogą być rezultatem powiewu optycznego rozbłysku od okołogwiezdnego gazu i pyłu. Aby zrozumieć struktury obserwowane wokół nowo powstałych gwiazd, teoretycy z zespołu badali jeden z kilku mechanizmów, który proponuje się jako wyjaśnienie rozbłysku FU Ori.

Badając te struktury można również pokazać, w jaki sposób powstają niektóre układy planetarne. Astronomowie znają egzoplanety krążące bardzo daleko od swoich macierzystych gwiazd. Czasami krążą one w odległości ponad 1000 jednostek astronomicznych od gwiazdy. Odległości te są również znacznie większe, niż wynika ze standardowych modeli powstawania planet.

Symulacje skomplikowanych okołogwiezdnych struktur, takich jak te widziane przez HiCIAO, przewidują również, że niektóre gęste skupiska w materii mogą stać się olbrzymimi gazowymi planetami. To pozwoliło by w sposób naturalny wyjaśnić obecność egzoplanet na tak dalekich orbitach.

Pomimo tych nowych, ciekawych wyników, jest jeszcze wiele do zrobienia, aby w pełni zrozumieć mechanizmy rodzenia się gwiazd i planet. Potrzeba bardziej szczegółowych porównań pomiędzy teorią a obserwacjami. Dalsze obserwacje, zwłaszcza przy użyciu ALMA, pozwolą nam zajrzeć głębiej w dysk gazu i pyłu otaczający gwiazdę.

Źródło:
Subaru Telescope

Urania - Postępy Astronomii

11 lutego 2016

LIGO potwierdził istnienie fal grawitacyjnych

Na konferencji prasowej, która miała miejsce 11 lutego b.r. naukowcy współpracujący w projekcie LIGO potwierdzili wykrycie fal grawitacyjnych. Ich źródłem są dwie zlewające się ze sobą czarne dziury. Odkrycia dokonano w 100 lat po przewidzeniu ich przez Einsteina w OTW.

W roku 1916 Albert Einstein ogłosił Ogólną Teorię Względności, w której stwierdzał między innymi, że siły grawitacyjne są wynikiem zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego przez zniekształcającą je masę. Z obliczeń Einsteina wynika, że niektóre zjawiska mogą wywoływać zmarszczki na czasoprzestrzeni, które przemieszczają się z prędkością światła. To właśnie fale grawitacyjne.

Przez 100 lat od ogłoszenia OTW naukowcy nie byli w stanie bezpośrednio potwierdzić istnienia fal grawitacyjnych. W roku 1974 Joseph Tylor i Russel Hulse, dzięki obserwacjom dwóch okrążających się pulsarów PSR 1913-16, wykryli pośredni dowód na ich istnienie, za co w 1993 roku otrzymali Nagrodę Nobla. W roku 1992 naukowcy z MIT i Caltech wpadli na pomysł wybudowania detektora fal grawitacyjnych, i tak w 2000 roku powstał LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

Dzisiejsze wyniki są efektem pracy dwóch projektów - amerykańskiego LIGO i europejskiego Virgo (nazwa pochodzi od gromady około 1500 galaktyk w gwiazdozbiorze Panny - łac. Virgo). Obydwa posiadają detektory fal grawitacyjnych (interferometry laserowe). Są to urządzenia, ustawione względem siebie pod kątem prostym, które na odcinku - LIGO 4 km, Virgo 3 km - odbijają promienie lasera około 100 razy, aby wykluczyć błędy pomiaru. Dwa rozdzielone promienie lasera spotykają się w jednym punkcie, znoszą wzajemnie, a detektor nic nie wykrywa.

Jeżeli do detektora trafi pędząca fala grawitacyjna, zmienia na moment o 1/1000 średnicy protonu jedno z ramion detektora. Efektem tego jest przesunięcie się względem siebie promieni lasera, które w tym momencie nie znoszą się. Do wykrycia tak subtelnych zmian potrzebne są idealne warunki. Przelot samolotu, przejazd samochodu czy nawet wiatr mogą powodować zakłócenia. Dlatego detektory wykonane są z niesamowitą precyzją a wszystkie elementy są dokładnie izolowane. Aby wykluczyć ewentualne błędy pomiaru, LIGO ma swoją kopię. Obydwa urządzenia są oddalone od siebie o 3000 km.

14 września 2015 roku obydwa detektory LIGO, znajdujące się w Livingston i Hanford, wykryły fale grawitacyjne. Obserwacje potwierdził detektor Viergo. Naukowcy na podstawie danych uzyskanych z LIGO szacują, że owe czarne dziury mają masy 29 i 36 mas Słońca a do zderzenia doszło 1,3 miliarda lat temu. Czarna dziura, która powstała w efekcie zderzenia ma masę 62 masy Słońca. Oznacza to, że brakujące 3 zostały przekształcone w fale grawitacyjne w ułamku sekundy, z energią pięćdziesięciokrotnie przekraczającą energię całego Wszechświata. Zgodnie z Ogólną Teorią Względności dwie rotujące wokół siebie czarne dziury tracą energię emitując ją w postaci fal grawitacyjnych, co na przestrzeni miliardów lat powoduje ich zbliżanie się do siebie. Z czasem okrążają się tak szybko i tak blisko, że w końcu dochodzi do zderzenia, a ich prędkość sięga prawie połowę prędkości światła. W ten sposób tworzy się bardziej masywna czarna dziura, która, zgodnie z równaniem Einsteina E=mc2, przekształca część połączonej masy czarnych dziur, w energię. To właśnie te fale grawitacyjne wykrył LIGO.

W skład LIGO wchodzi zespół 15 Polaków, pod kierownictwem profesora Andrzeja Krókaka z Polskiej Akademii Nauk. Zespół odpowiada za analizę danych oraz modelowanie układów mogących generować silne fale grawitacyjne. Zespół polskich astrofizyków przewidział, że połączenie się czarnych dziur może być znacznie częstsze, niż dotąd sądzono i że to właśnie one mogą stać się źródłem fal grawitacyjnych na tyle silnych, że uda się je wykryć. Na pewno na przestrzeni kolejnych lat obserwacje te będą jeszcze potwierdzane. Na dzień dzisiejszy odkrycie fal grawitacyjnych potwierdza również istnienie czarnych dziur.

Źródło:
Caltech

Obserwowanie procesów gwiazdotwórczych w kosmiczne południe

Tworzenie się gwiazd w galaktykach wydaje się być mocno regulowane przez przepływ gazu do i z galaktyk. Naukowcom nadal nie udało się ustal...