Uvod u relativističke mlazove

21/04/2014

Pozvan sam održati predavanje o relativističkim mlazovima u lipnju 2014. godine. U svrhu što bolje pripreme pišem serijal tekstova o ovim fascinantnim objektima. Ovo je prvi dio.

Definicija: relativistički mlaz je fokusirani tok plazme koji izlazi iz prostora u blizini crne rupe u aktivnoj galaktičkoj jezgri. U ostatku ovog i budućih tekstova koristit ću izraz “mlaz” i pri tome govoriti o relativističkom mlazu.

 

Prije sto godina

Prvo zabilježeno promatranje mlaza je iz 1918, kada je Heber Curtis vidio “čudnu ravnu zraku [...], povezanu sa jezgrom pomoću tanke linije materije.” [link]. Međutim, tek kada je razvoj tehnologije iza drugog svjetskog rata omogućio procvat radioastronomije, su astronomi dokazali da se mlazovi nalaze u mnogim galaksijama. Otkrili su da se, osim mlazova, na radiokartama vide i zračenje iz same jezgre, radio polutke i tzv. vruće pjege. U narednim godinama se počela razvijati dugobazična intefererometrija (Very Long Baseline Interfermoetry – VLBI) [wikipedija], koja je omogućila istovremeno promatranje pomoću dva ili više radio teleskopa. Korištenjem posebne vrste nakdnadne obrade podataka VLBI omogućuje stvaranje “virtualnih radioteleskop” koji su veličine usporedive razmaku između pojedinačnih antena. Ova tehnika je revolucionirala radioastronomiju jer je omogućila opažanje izvora koji su inače premali da bi se njihovi detalji dobro razlučili pojedinačnim antenama.

3C120

Ilustracija: Mlaz u galaksiji 3C 120. Od donjeg lijevog kuta u smjeru kazaljke na satu su prikazane radiokarte na sve kraćim valnim duljinama. Opažanja na kraćim valnim duljinama nam omogućuju “zumiranje” u unutrašnje dijelove mlaza. Slika dolje desno je na skali od 50 kiloparseka (163 tisuće svjetlosnih godina), a zumiranje završava dolje desno na skali od 0.5 parseka (1.6 svj. god. ili 15 tisuća milijardi kilometara). Izvor: J. L. Gómez, Instituto de Astrofísica de Andalucía. [link]

Sinhrotronsko zračenje

1950-ih godina su znanstvenici (Alfvén, Shklovsky) došli do važnih spoznaja o mehanizmu zračenja izvora koje su počeli opažati radioastronomi. Predložili su sinhrotronsko zračenje kao najvjerojatniji mehanizam, a njihova pretpostavka je potvrđena 1956. godine kada je Walter Baade izmjerio linearnu optičku polarizaciju [wikipedia] mlaza u M87. Linearna polarizacija je jedna od glavnih karakteristika sinhrotronskog zračenja i njezino opažanje u relativističkim mlazevima je izazvalo veliki interes astronomske zajednice.

Sinhrotronsko zračenje nastaje kada visokoenergetski (relativistički) elektroni kruže u magnetskom polju. Detekcija sinhrotronskog zračenja u mlazovima implicira postojanje i magnetskog polja i visokoenergetskih elektrona. Time je napravljen važan napredak u razumijevanju sastava mlazova, ali, kao što ćemo vidjeti kasnije, ni dan danas ne znamo od čega se točno oni sastoje.

 

Gdje se nalaze mlazovi?

Marteen Schmidt je 1963. godine proučavao objekt 3C273 i identificirao je radio-komponentu 3C273A kao mlaz. 3C273 je, naravno, prvi otkriveni kvazar i nalazi se na približno 2.4 milijarde svjetlosnih godina od Zemlje.

U gornjem lijevom uglu se nalazi kvazar 3C273, a prema donjem desnom uglu giba se njegov mlaz. Ovo je slika u rendgnenskim zrakama i snimio ju je NASA-in satelit "Chandra".

U gornjem lijevom uglu se nalazi kvazar 3C273, a prema donjem desnom uglu giba se njegov mlaz. Ovo je slika u rendgnenskim zrakama i snimio ju je NASA-in satelit “Chandra”.

Nakon otkrića mlaza u 3C273 otkriveno ih je još nekoliko, ali tek kad su počela opažanja pomoću VLA (Very Large Array) [wikipedia] saznali smo da se mlazovi pojavljuju posvuda. VLA je bila ključna jer se sastoji od 27 neovisnih antena koje se mogu pomicati na tračnicama i stvarati nekoliko korisnih konfiguracija. Ta fleksibilnost je omogućila otkrivanje mnogo više mlazova jer su bila potrebna samo kratka opažanja da bi ih se nedvosmisleno identificiralo.

USA.NM.VeryLargeArray.02

Very Large Array u državi New Mexico (SAD).

1960-ih i 1970-ih godina se došlo do konsenzusa da radio-galaksije, koje čine oko 1% svih galaksija, proizvode mlazove. Za njihovu proizvodnju je potrebna ogromna količina energije koja se mora konstantno ubrizgavati u mlaz (više o tome u jednom od narednih tekstova). Između 1964. i 1969. godine pojavila su se tri važna članka (Zeldovič i Novikov 1964., Salpeter 1964., Lynden-Bell 1969.) koji su predložili da jedino supermasivna crna rupa u središtu radio galaksije može biti neprekidni izvor velikih količina energije tijekom milijuna godina.

 

Kako znamo da su mlazovi relativistički?

Zbog velikih udaljenosti na kojima se nalaze, tek je pojava radio-inteferometrije omogućila proučavanje njihove strukture. Međutim, sa pojavom već spomenute VLBI tehnike se došlo do dvije važne spoznaje. Prvo, kod većine izvora prisutna su dva mlaza, ali je od njih jedan uvijek sjajniji nego drugi. Drugo, kada je osjetljivost VLBI postala dovoljno dobro da se razluče i prate pojedinačne komponente mlazova, izmjerene su prividne nadsvjetlosne brzine. Objašnjenje za oba efekta je da se mlaz giba gotovo brzinom svjetlosti. Efektima relativističkog gibanja bavit ću se u zasebnom tekstu.

Sljedeća dva teksta biti će posvećena fenomenologiji mlazova, tj. radio, infracrvenim, optičkim, ultraljubičastim i rendgenskim opažanjima.


Planet sličan Zemlji u habitabilnoj zoni

19/04/2014

U ovotjednom izdanju časopisa Science izašao je članak NASA-ine i SETI znanstvenice Elise Quintane i suradnika u kojem opisuju otkriće planeta sličnog Zemlji (Kepler-186f) koji se nalazi u habitabilnoj zoni svoje zvijezde Kepler-186. Da bismo razumjeli značaj ovog otkrića, najprije trebamo razumjeti što je to habitabilna zona.

Habitabilna zona

Habitabilna zona (HZ) je volumen prostora oko zvijezde u kojemu je moguć život. Naravno, ova definicija je problematična iz dva razloga. Prvi je taj što trenutno samo poznajemo život na jednome planetu i stoga nemamo uvid u to kakvi još uvjeti (osim ovih na Zemlji) mogu biti pogodni za život. Drugi problem je taj što je, čak i ako se ograničimo na Zemlju, raspon uvjeta “pogodnih za život” ogroman. Neki od uvjeta koje bi trebali uzeti u obzir su: temperatura, tlak, prisustvo organskih molekula i vode. U članku objavljenom u Science je HZ definirana kao onaj volumen svemira oko zvijezde Kepler-186 u kojem je moguće postojanje tekuće vode. Očito se radi o pojednostavljenju definicije HZ, ali je to (po mome mišljenju) opravdano, budući da o zvjezdanom sistemu Kepler-186 ne znamo gotovo ništa osim orbite i veličine planeta. Ovakva definicija se lako može primjeniti i na Sunčev sustav, a i na mnoge druge do sada otkrivene ekstrasolarne planete. (Zainteresiranog čitaoca će možda zanimati i podatak da je 2006. hrvatska astrofizičarka Ana Bedalov u sklopu programa Nebo na poklon vodila tim osnovnoškolaca koji su odredili da li su (tada poznata) 162 ekstrasolarna planeta unutar habitabilne zone. Više informacija na ovom linku.).

Ilustracija habitabilne zone

Ilustracija HZ (habitabilne zone): zvijezda (Z) zrači svjetlost u svemir. Ako se planet nalazi preblizu zvijezdi, njegova površina je prevruća da bi na njoj mogla postojati tekuća voda. S druge strane, ako se nalazi predaleko, onda je njegova površina prehladna za postojanje tekuće vode. Između prevruće i prehladne zone nalazi se HZ.

Položaj i veličina HZ ovisi o mnogim faktorima. Među najvažnijima su temperatura i polumjer matične zvijezde. Stoga će za različite zvijezde i habitabilna zona biti različita. Kod ekstrasolarnih planeta problem je taj što ih je većina do sada otkrivenih preblizu zvijezdi, tj. nalaze se u “prevrućoj” zoni na gornjoj ilustraciji. Sljedeća ilustracija pokazuje usporedbu sunčevog sustava i sutava Kepler 186.

Neki planeti sunčevog sustava i njihov položaj u odnosu na HZ (sivi  pravokutnik). Udaljenost od zvijezde (Sunca) je dana u astronomskim jedinicama.

Neki planeti sunčevog sustava i njihov položaj u odnosu na HZ (sivi pravokutnik). Udaljenost od zvijezde (Sunca) je dana u astronomskim jedinicama.

Do sada otkriveni planeti sustava Kepler 186 i njihov položaj u odnosu na HZ (sivi  pravokutnik). Udaljenost od zvijezde (Sunca) je dana u astronomskim jedinicama.

Do sada otkriveni planeti sustava Kepler 186.

Planeti obojani crvenom bojom su prevrući da bi na njima (pretpostavljamo) mogao postojati život. Zeleni planeti su oni na kojima vladaju pogodni uvjeti. U sunčevom sustavu to su Zemlja i Mars, a u sustavu Kepler 186 to je Kepler-186f, novootkriveni planet. Ono što odmah upada u  oči je da je habitabilna zona (izračunata pomoću jednadžbi 2 i 3 iz članka Selsis i koautora, objavljenog 2007. godine) u Kepler 186 puno bliže zvijezdi nego je to slučaj kod Sunca. To je i za očekivati, budući da je površinska temperatura Kepler 186 (3788 Kelvina) manja nego sunčeva (5778 Kelvina).

 

Značaj otkrića

Novootkriveni planet Kepler-186f je za sada najsličniji Zemlji. Samo je oko 10% veći od našeg planeta. To i činjenica da se nalazi u habitabilnoj zoni gotovo da su dovoljan razlog za nazvati ga “druga Zemlja”. Nažalost, zvijezda Kepler-186 je manja od našeg Sunca, što znači da Kepler-186f dobija samo trećinu energije koju Zemlja dobija od Sunca. Osim toga, njegovo sunce je nešto crvenije od našega. Stoga Kepler-186f nije druga Zemlja, ali njegovo otkriće znači da možda nismo toliko daleko od planeta koji je iste veličine kao naš, koji se nalazi u HZ i čije je sunce slično našemu.

Ako ništa, pogled u nebo sa površine Kepler-186f bi mogao biti zanimljiv:

Ovako bi mogao izgledati život na planetu Kepler-186f, ako je vjerovati umjetničkoj mašti. Izvor: space.com.


FireStats icon Powered by FireStats