Obsah:
Ve vesmíru vás nikdo neslyší křičet, ale se správným vybavením je možné zaznamenat řev. To vědci objevili již v roce 2006, když začali hledat vzdálené signály ve vesmíru pomocí složitého přístroje připevněného k obrovskému balónu, který byl vyslán do vesmíru. Přístroj byl schopen zachytit rádiové vlny z tepla vzdálených hvězd, ale to, co prošlo toho roku, nebylo nic menšího než ohromující.
Když přístroj naslouchal z výšky asi 23 mil (37 kilometrů), zachytil signál, který byl šestkrát hlasitější, než kosmologové očekávali. Protože to bylo příliš hlasité na to, aby to byly rané hvězdy, a mnohem větší než předpokládaná kombinovaná radiová emise ze vzdálených galaxií, silný signál způsobil velké zmatení. A vědci stále nevědí, co to způsobuje, ani dnes. A co víc, mohlo by to brzdit snahy o hledání signálů z prvních hvězd, které se zformovaly po velkém třesku.
Přístroj, který detekoval záhadný burácející signál, byl Absolute Radiometer for Cosmology, Astrofyzika a difuzní emise (ARCADE), který NASA sestrojila, aby rozšířila studium spektra kosmického mikrovlnného pozadí na nižších frekvencích.
Vědeckými cíli mise – když se ARCADE vznášela vysoko nad zemskou atmosférou, bez interference z naší planety – bylo najít teplo z první generace hvězd, hledat relikvie částicové fyziky z Velkého třesku a pozorovat vznik prvních hvězd a galaxií.. Těchto cílů dosáhla skenováním rádiových signálů na 7 % noční oblohy, protože vzdálené světlo se při ztrátě energie na vzdálenost mění na rádiové vlny.
Zvuk NASA z vesmíru
ARCADE dokázala provést „absolutně kalibrovaná měření na nulové úrovni“, což znamená, že měřila skutečný jas něčeho ve skutečných fyzikálních pojmech, nikoli v relativních pojmech. To se lišilo od typických radioteleskopů, které pozorují a kontrastují dva body na obloze. Při pohledu na všechno "světlo" a jeho srovnání se zdrojem černého tělesa byl ARCADE schopen vidět kombinaci mnoha tlumených zdrojů. Tehdy se projevila intenzita jednoho konkrétního signálu, i když po mnoho měsíců.
„Ačkoli by to mohl být dobrý film, vidět nás překvapeně, když vidíme, že expozimetr vyskočil na hodnotu šestinásobku očekávané hodnoty, ve skutečnosti jsme strávili roky přípravami na náš let balónem a velmi rušnou noc s pořizováním dat,“řekl. Vědec NASA Dale J. Fixsen. "Pak trvalo měsíce analýzy dat, než se nejprve oddělily instrumentální efekty od signálu a pak se oddělily galaktické záření od signálu. Takže překvapení bylo postupně odhalováno během měsíců." To znamená, že dopad byl stále obrovský.
Od té doby vědci hledali, odkud záření přichází, a snažili se popsat vlastnosti signálu. To druhé se ukázalo poměrně rychle.
"Je to difúzní signál přicházející ze všech směrů, takže není způsoben žádným jediným objektem," řekl Al Kogut, který vedl tým ARCADE v Goddardově centru vesmírných letů NASA v Greenbeltu v Marylandu. "Signál má také frekvenční spektrum neboli ‚barvu‘, které je podobné rádiovému vyzařování z naší vlastní galaxie Mléčná dráha."
Vědci signál nazývají „rádiové synchrotronové pozadí“– pozadí je emise z mnoha jednotlivých zdrojů a prolnuté do difúzní záře. Ale protože "vesmírný řev" je způsoben synchrotronovým zářením, typem emise vysokoenergetických nabitých částic v magnetických polích, a protože každý zdroj má stejné charakteristické spektrum, je obtížné určit původ tohoto intenzivního signálu.
"Od konce 60. let je známo, že kombinovaná radiová emise ze vzdálených galaxií by měla tvořit difúzní rádiové pozadí přicházející ze všech směrů," řekl Kogut All About Space v e-mailu. "Vesmírný řev je podobný tomuto očekávanému signálu, ale nezdá se, že by ve vzdáleném vesmíru bylo šestkrát více galaxií, které by vyrovnaly rozdíl, který by mohl ukazovat na něco nového a vzrušujícího jako zdroj."
Přichází vesmírný řev z Mléčné dráhy?
O tom, zda je tento zdroj uvnitř nebo vně Mléčné dráhy, se diskutuje.
"Existují dobré argumenty, proč nemůže pocházet zevnitř Mléčné dráhy, a dobré argumenty, proč nemůže pocházet z vně galaxie," řekl Kogut.
Jedním z důvodů, proč pravděpodobně nepochází z naší galaxie, je ten, že se nezdá, že by řev sledoval prostorovou distribuci rádiové emise Mléčné dráhy. Nikdo ale s jistotou netvrdí, že signál není ze zdroje blíže k domovu – pouze to, že chytré peníze na něj přicházejí odjinud.
"Neřekl bych, že vědci do značné míry vyloučili možnost, že rádiové synchrotronové pozadí pochází z naší galaxie," řekl Jack Singal, odborný asistent fyziky na University of Richmond ve Virginii, který nedávno vedl workshop o hmota. „Řekl bych však, že toto vysvětlení se zdá být méně pravděpodobné.
„Primárním důvodem je, že by se naše galaxie zcela nelišila od jakékoli podobné spirální galaxie, která, pokud můžeme říci, nevykazuje takové obří, sférické, rádiem vyzařující halo rozprostírající se daleko za galaktický disk, které by bylo zapotřebí. Existují také další problémy, například to, že by to vyžadovalo úplné přehodnocení našich modelů galaktického magnetického pole."
Fixsen z celého srdce souhlasí. "V jiných spirálních galaxiích existuje úzký vztah mezi infračerveným a rádiovým vyzařováním, dokonce i v malých částech těchto galaxií," řekl. "Takže, pokud je z halo kolem naší galaxie, udělalo by to z Mléčné dráhy podivnou galaxii, zatímco ve většině ostatních ohledů to vypadá jako "normální" spirální galaxie."
Z těchto důvodů si odborníci myslí, že signál je primárně extragalaktického původu. "V tuto chvíli by to bylo nejzajímavější fotonové pozadí na obloze, protože zdrojová populace je zcela neznámá," řekl Singal. Ale protože je vesmír tak rozsáhlý, nezužuje to věci až tak moc, a proto vědci usilovně pracují na tom, aby přišli s mnoha teoriemi o zdroji signálu.
Americký fyzik David Brown například řekl, že vesmírný řev by mohl být „prvním velkým empirickým úspěchem M-teorie“, což je široký matematický rámec zahrnující teorii strun. "Může existovat Fredkin-Wolframův automat rozšířený v mnoha alternativních vesmírech, poskytujících opakující se fyzický čas s nekonečným opakováním všech možných fyzikálních událostí," napsal Brown na blogu komunity FQXi. To předpokládá, že raný vesmír měl mnohem více skutečné hmoty než dnes, což odpovídá silnému rádiovému signálu.
Vesmírný řev by mohl být „prvním velkým empirickým úspěchem M-teorie“, širokého matematického rámce zahrnujícího teorii strun.
Ale pokud je to příliš daleko, existují i jiné teorie, kterými byste se měli zabývat. "Radioastronomové se podívali na oblohu a identifikovali několik typů synchrotronových zdrojů," řekl Fixsen.
Synchrotronové záření je snadné vyrobit, řekl. "Vše, co potřebujete, jsou energetické částice a magnetické pole, a všude jsou energetické částice, produkované supernovami, hvězdnými větry, černými dírami, dokonce i OB hvězdami," což jsou horké, hmotné hvězdy spektrálního typu O nebo raného typu B. "Zdá se, že mezigalaktický prostor je vyplněn velmi horkým plynem, takže pokud by mezigalaktická magnetická pole byla dostatečně silná, mohla by generovat hladké synchrotronové záření," řekl.
Je také známo, že synchrotronové záření je spojeno s tvorbou hvězd. "To také generuje infračervené záření, a proto úzká korelace," řekl Fixsen. "Ale možná, že první hvězdy ještě vytvořily synchrotronové záření, než byly vyrobeny kovy, nevytvářely příliš mnoho infračerveného záření. Nebo možná existuje nějaký proces, na který jsme ještě nepomysleli."
Co nám to tedy zanechává? "Možné zdroje zahrnují buď difúzní mechanismy ve velkém měřítku, jako jsou turbulentně splývající kupy galaxií, nebo zcela nová třída dosud neznámých neuvěřitelně četných individuálních zdrojů rádiové emise ve vesmíru," řekl Singal. "Ale cokoli v tomto ohledu je v tuto chvíli vysoce spekulativní a některé návrhy, které byly vzneseny, zahrnují anihilaci temné hmoty, supernovy prvních generací hvězd a mnoho dalších."
Někteří vědci se domnívají, že zdrojem by mohly být plyny ve velkých kupách galaxií, i když je nepravděpodobné, že by přístroje ARCADE byly schopny detekovat záření z kterékoli z nich. Podobně existuje šance, že signál byl detekován z nejstarších hvězd nebo že pochází z mnoha jinak matných rádiových galaxií, jejichž kumulativní efekt je zachycován. Ale pokud by tomu tak bylo, museli by být neuvěřitelně pevně zabaleni do té míry, že mezi nimi není žádná mezera, což se zdá nepravděpodobné.
Jak se vyřeší 13letá záhada
"Samozřejmě je tu také možnost, že mezi ARCADE a ostatními dosavadními měřeními došlo ke shodě chyb, které špatně měřily úroveň rádiového synchrotronového pozadí," řekl Singal. "To se zdá nepravděpodobné, vzhledem k tomu, že se jedná o velmi odlišné přístroje měřící ve zcela odlišných frekvenčních pásmech."
Ať už je signál jakýkoli, také způsobuje problémy, pokud jde o detekci jiných vesmírných objektů. Jak NASA v minulosti zdůraznila, nejranější hvězdy jsou skryty za vesmírným řevem, a proto je obtížnější je detekovat. Je to, jako by vesmír jednou rukou dával a druhou vzal, ale odhalit něco tak neobvyklého je nesmírně vzrušující. Když vyloučíte původ z primordiálních hvězd a známých rádiových zdrojů, jako je plyn v nejvzdálenějším halo naší galaxie, je to záhada, kterou by si každý vědec s chutí vychutnával.
"Kromě toho si myslím, že možná potřebujeme nějakou brilantní novou hypotézu původu, na kterou ještě nikdo nepomyslel."
Aby vědci konečně vyřešili tento 13letý hlavolam, je naléhavě zapotřebí další výzkum a důkazy. V současné době se vede debata o tom, že by se ARCADE vrátilo nahoru vzhledem k nástupu nové technologie a vzhledem k jeho přesné sadě přístrojů, ponořených do více než 500 galonů ultrachladného kapalného helia, aby byly ještě citlivější, by jistě nebuď při tom na škodu.
Objevují se ale i nové projekty, které by mohly pomoci. "Jeden z nich použije 300stopý radioteleskop v Green Bank v Západní Virginii, aby zmapoval rádiovou oblohu s vyšší přesností než dříve," řekl Kogut. "Možná to vnese trochu světla do záhady."
Singal v to rozhodně doufá. Pracuje na projektu Green Bank Telescope, který využívá největší radioteleskop s čistou aperturou na světě k měření úrovně pozadí jako primární, spíše než doplňkový cíl. Učiní to pomocí definitivního, účelového, absolutně kalibrovaného měření nulové úrovně, které se provádí na megahertzových (MHz) frekvencích, kde je rádiová obloha nejjasnější. (Megahertz se rovná milionu hertzů.)
"Toto měření je v současné době vyvíjeno týmem, ve kterém jsem, a využívá vlastní přístrojové vybavení, které bude namontováno na dalekohled," vysvětlil Singal. Chystá se také další pokus o měření, tento zaměřený na měření nebo další omezení takzvané "anizotropie" neboli variace pozadí rádiového synchrotronu, opět na frekvencích MHz, kde dominuje.
"To není jeho absolutní úroveň, ale spíše malé rozdíly mezi jednotlivými místy na obloze," řekl Singal. "S některými spolupracovníky se o to pokouším poprvé pomocí nízkofrekvenčního pole v Nizozemsku. Obě tato měření ve shodě mohou pomoci zjistit, zda je rádiové synchrotronové pozadí primárně galaktického nebo extragalaktického původu. Kromě toho Myslím, že možná potřebujeme nějakou brilantní hypotézu nového původu, na kterou ještě nikdo nepomyslel."
