(pierwotny deuter a wielki wybuch) UHWXWGVBVWTJANJUKV4MQETVAQ4JSFBAQ5YMNSI


Pierwotny deuter
a Wielki Wybuch
JÄ…dra deuteru powsta"y tuÅ» po Wielkim Wybuchu. Ich iloĘç jest kluczem
do zrozumienia ewolucji m"odego WszechĘwiata i natury ciemnej materii
Craig J. Hogan
teorii Wielkiego Wybuchu wyni- dzajami materii i energii nie by"o równie serwacjami. PoniewaŻ wodór jest pod-
ka nadzwyczaj prosty model oczywiste jak w warunkach panujÄ…cych stawowym paliwem w gwiazdach, dzi´-
Zwczesnego WszechĘwiata: nie ma dziĘ. Cząstki subatomowe, takie jak neu- ki jego wszechobecnoĘci obserwujemy
w nim Å»adnych struktur wi´kszych niÅ» trony i protony, nieustannie przemie- ĘwiecÄ…ce S"oÅ‚ce i gwiazdy.
pojedyncze czÄ…stki elementarne. Choç nia"y si´ jedne w drugie, oddzia"ujÄ…c Przypuszcza si´, Å»e w trakcie powsta-
przewidywania tego modelu sÄ… jedynie z wyst´pujÄ…cymi w wielkiej obfitoĘci wania jÄ…der helu tylko jedno jÄ…dro deu-
konsekwencjÄ… ogólnej teorii wzgl´d- energetycznymi elektronami, pozyto- teru na 10 tys. nie znalaz"o dla siebie
noĘci, standardowego modelu czÄ…stek nami i neutrinami. Neutrony sÄ… jednak pary. Jeszcze mniejsza cz´Ä˜ç zosta"a
elementarnych i praw rozk"adu energii nieco masywniejsze od protonów. Kie- zsyntetyzowana do jÄ…der ci´Å»szych niÅ»
wynikajÄ…cych z podstawowych zasad dy oĘrodek ostyg", wi´ksza cz´Ä˜ç mate- hel, na przyk"ad litu. (Wszystkie pozo-
termodynamiki, opisuje on pierwotny rii przybra"a form´ bardziej stabilnych sta"e znane pierwiastki, takie jak w´giel
stan WszechĘwiata niemal idealnie. protonów. W rezultacie kiedy tempera-
Jądra atomowe, które powsta"y tura spad"a poniŻej 10 mld stopni, a
w pierwszych sekundach i minutach ist- przemiany protonów w neutrony i od-
nienia WszechĘwiata, dostarczają do- wrotnie usta"y, na kaŻdy neutron przy-
datkowych informacji o wydarzeniach, pada"o mniej wi´cej 7 protonów.
zachodzÄ…cych we wczesnym Wszech-
Ęwiecie oraz o sk"adzie chemicznym Po wyj´ciu z pierwotnego piekarnika
i strukturze dzisiejszego kosmosu. Wiel-
ki Wybuch stworzy" WszechĘwiat z"oŻo- Kiedy wiek WszechĘwiata wynosi" kil-
ny niemal ca"kowicie z wodoru i helu. ka minut (w temperaturze oko"o jednego
Deuter, ci´Å»ki izotop wodoru, powsta- miliarda stopni), protony i neutrony wy-
wa" jedynie na samym poczÄ…tku istnie- styg"y na tyle, Å»e mog"y si´ "Ä…czyç i two-
nia WszechĘwiata. Jest wi´c szczegól- rzyç jÄ…dra atomowe. KaÅ»dy neutron od-
nie waŻnym wskaęnikiem. Stosunek nalaz" towarzysza w postaci protonu,
obfitoĘci deuteru do obfitoĘci atomów tworzÄ…c par´ zwanÄ… deuteronem. Z ko-
zwyk"ego wodoru zaleÅ»y zarówno od lei kaÅ»dy deuteron po"Ä…czy" si´ z drugim
jednorodnoĘci materii, jak i od ca"kowi- deuteronem, tworząc jądro helu, które
tej iloĘci materii, która pojawi"a si´ zawiera dwa protony i dwa neutrony.
w Wielkim Wybuchu. W ciÄ…gu ostat- Gdy powsta" deuter, g´stoĘç materii we
nich kilku lat astronomowie po raz WszechĘwiecie by"a juŻ tak ma"a, Że nie
pierwszy zacz´li dokonywaç wiarygod- mog"y zachodziç w niej reakcje syntezy
nych, bezpoĘrednich pomiarów obfito- ci´Å»szych pierwiastków. Dlatego niemal
Ęci deuteru w pierwotnych ob"okach ga- wszystkie neutrony zosta"y w"ączone do
zu. Wyniki tych pomiarów pomogą jąder helu.
sprawdziç w bardzo precyzyjny sposób Z powodu odpychania elektryczne-
kosmogoni´ Wielkiego Wybuchu. go protony nie mogÄ… wiÄ…zaç si´ ze sobÄ…
WyglÄ…da na to, Å»e rozszerzanie si´ (i tworzyç jÄ…der atomowych) bez utrzy-
WszechĘwiata rozpocz´"o si´ 10 20 mld mujÄ…cych je razem neutronów. Z powo-
TELESKOP KECKA (z prawej) na Mauna
lat temu. Wszystko by"o znacznie bliŻej du ograniczonej iloĘci neutronów w
Kea na Hawajach zebra" Ęwiat"o od odleg"e-
siebie, mia"o o wiele wyÅ»szÄ… tempe- pierwotnej gorÄ…cej plazmie szeĘç na sie-
go kwazara i skupi" je na fotodetektorze
ratur´ i g´stoĘç niÅ» dziĘ. Kiedy wiek dem protonów musi pozostaç w postaci
spektroskopu o duŻej zdolnoĘci rozdzielczej.
WszechĘwiata wynosi" zaledwie jedną wolnych jąder wodoru. Model Wielkie- Na powsta"ych kolorowych pasmach (powy-
Å»ej) widaç ciemne prÄ…Å»ki w miejscach, w
sekund´, jego temperatura przekracza- go Wybuchu przewiduje, Å»e oko"o jed-
których leŻący po drodze gaz zaabsorbowa"
"a 10 mld stopni, czyli 1000-krotnie nej czwartej masy normalnej materii we
Ęwiat"o o odpowiedniej d"ugoĘci fali. Anali-
przewyÅ»sza"a temperatur´ w Ęrodku WszechĘwiecie to hel, a pozosta"e trzy
za charakterystycznego dla gazu wodorowe-
S"ołca. W tak wysokiej temperaturze czwarte  wodór. Ta prosta hipoteza
go uk"adu linii moÅ»e ujawniç obecnoĘç ci´Å»-
rozróŻnienie pomi´dzy rozmaitymi ro- zdumiewajÄ…co dobrze zgadza si´ z ob- kiego izotopu tego pierwiastka  deuteru.
34 ÂWIAT NAUKI Luty 1997
Za zgodÄ… CRAIGA J. HOGANA; LAURIE GRACE
(wzmocnienie barw)
ROGER RESSMEYER Corbis
i tlen, powsta"y o wiele póęniej we wn´- wi´kszÄ… wartoĘç . MoÅ»na sobie wy- w jednej  na 10 tys.  czÄ…steczce s"odkiej
trzach gwiazd.) Dok"adna procentowa obraÅ»aç deuter jako swego rodzaju nie wody, zawierajÄ…cej atom deuteru za-
zawartoĘç helu, deuteru i litu zaleÅ»y tyl- zuÅ»yte do koÅ‚ca paliwo, takie jak na miast atomu wodoru.
ko od stosunku liczby protonów i neu- przyk"ad w´giel drzewny nie spalony
tronów  cząstek nazywanych bariona- na popió", poniewaŻ ogieł zgas" zbyt Kwazary i ob"oki gazu
mi  do liczby fotonów. WartoĘç tego wczeĘnie. W czasie Wielkiego Wybuchu
stosunku, oznaczanego greckÄ… literÄ… , nukleosynteza trwa"a zaledwie kilka mi- Wyznaczenie stosunku pierwotnej
nie powinna zasadniczo si´ zmieniaç nut, ale synteza jÄ…drowa w gwiazdach obfitoĘci deuteru do obfitoĘci zwyk"e-
podczas ekspansji WszechĘwiata. Po- jest podtrzymywana przez miliony czy go wodoru wiele by wyjaĘni"o. Nie jest
niewaÅ» potrafimy zmierzyç liczb´ foto- miliardy lat. Dzi´ki temu deuter w to jednak "atwe, gdyÅ» obecnie Wszech-
nów, wielkoĘç mówi nam, ile jest ma- gwiazdach przemienia si´ w hel i ci´Å»- Ęwiat sta" si´ znacznie bardziej z"oÅ»ony
terii we WszechĘwiecie. Ta ostatnia sze pierwiastki. A zatem wszelki deu- niŻ w przesz"oĘci. Astronomowie mo-
wartoĘç ma bardzo duÅ»e znaczenie ter musi byç pozosta"oĘciÄ… po Wielkim gÄ… wyznaczaç obfitoĘç deuteru w ob"o-
w zrozumieniu póęniejszej ewolucji Wybuchu, nawet ten, który znajdziemy kach atomowego wodoru po"oŻonych
WszechĘwiata. MoŻemy ją bowiem po-
równaç z iloĘciÄ… materii, jakÄ… rzeczywi-
Ęcie widzimy w postaci gwiazd i gazu
w galaktykach, jak równieÅ» z wyst´pu-
jÄ…cÄ… w wi´kszej iloĘci niewidocznÄ… ciem-
nÄ… materiÄ….
Po to, by w wyniku Wielkiego Wy-
buchu mog"a powstaç mieszanina lek-
kich pierwiastków o obserwowanym
sk"adzie chemicznym, wartoĘç musi
byç bardzo ma"a. WszechĘwiat zawiera
mniej niŻ jeden barion na kaŻdy miliard
fotonów. Temperatura kosmicznego
promieniowania t"a mówi nam bezpo-
Ęrednio, jaka jest liczba fotonów pozo-
sta"ych po Wielkim Wybuchu. DziĘ kaŻ-
dy centymetr szeĘcienny zawiera oko"o
411 fotonów. G´stoĘç barionów powin-
na zatem wynosiç nieco mniej niÅ» 0.4
bariona na metr szeĘcienny. Choç ko-
smolodzy wiedzą, Że jest bardzo ma-
"a, oszacowania jej wartoĘci róŻniÄ… si´
niemal dziesi´ciokrotnie. Najdok"adniej-
szym i najbardziej wiarygodnym wy-
znacznikiem wielkoĘci jest obfitoĘç
lekkich pierwiastków pierwotnego po-
chodzenia, szczególnie cennym nato-
miast  obfitoĘç deuteru. Na przyk"ad
pi´ciokrotne zwi´kszenie wartoĘci do-
prowadzi"oby nieuchronnie do trzyna-
stokrotnego zmniejszenia iloĘci wypro-
dukowanego deuteru.
PoniewaÅ» procesy jÄ…drowe zachodzÄ…-
ce w gwiazdach niszczÄ… deuter i Wiel-
ki Wybuch by" prawdopodobnie
g"ównym jego ęród"em we
WszechĘwiecie, to juŻ sa-
ma obecnoĘç tego izo-
topu ogranicza naj-
wĘród gwiazd
w naszej Galaktyce,
ale podatnoĘç izotopu na
9 MLD LAT TEMU
przemiany jądrowe kaŻe po-
(W PRZYBLIÚENIU)
dejrzliwie odnosiç si´ do tych wy-
ników. Mieszkamy w zanieczyszczo-
nej galaktyce w Ęrednim wieku, w której
materia ciÄ…gle si´ miesza. W ciÄ…gu 10 mld
lat jej historii znaczna cz´Ä˜ç masy zawar-
tych w niej gazów przesz"a chemiczne
9.5 MLD LAT TEMU
(W PRZYBLIÚENIU)
Za zgodÄ… CRAIGA J. HOGANA
(model)
; rysunek: ALFRED T. KAMAJIAN
WYZNACZENIE PIERWOTNEGO SK¸ADU chemicznego WszechĘwiata jest
skomplikowane, poniewaÅ» duÅ»a cz´Ä˜ç materii przeobrazi"a si´ w gwiazdach.
Mimo to Ęwiat"o kwazarów, po"oŻonych na krałcu obserwowanego
WszechĘwiata w odleg"oĘci kilku miliardów lat Ęwietlnych, stwarza
takÄ… moÅ»liwoĘç. Dawno temu Ęwiat"o to przesz"o przez ob"oki
pierwotnego gazu, stanowiÄ…ce byç moÅ»e peryferia tworzÄ…cych
OBECNIE
si´ galaktyk (z lewej na powi´kszeniu) komputerowy
model ob"oku gazu pierwotnego). Wodór i deuter,
obecne w takich ob"okach, usuwajÄ… z wiÄ…zki
Ęwiat"o o charakterystycznej d"ugoĘci fali. Te
zmiany mogÄ… byç wykryte i zmierzone
za pomocą teleskopów na Ziemi.
gÄ… byç obser-
wowane z Ziemi.
Nawet linia leŻąca
najbliÅ»ej czerwonej cz´Ä˜ci
widma (i jednoczeĘnie najsil-
niejsza)  Lyman- (L )  ma d"u-
goĘç fali 1215 angstremów. Szcz´Ä˜li-
wie ekspansja WszechĘwiata powoduje
kosmologiczne przesuni´cie ku czerwie-
ni, zwi´kszajÄ…ce d"ugoĘci fal fotonów
docierajÄ…cych na Ziemi´ o taki czynnik,
WszechĘwiata Że linie absorpcyjne odpowiednio odle-
by"y jakieĘ 4 6 ra- g"ych ob"oków gazu zostajÄ… przesuni´te
zy mniejsze niÅ» dziĘ, do widzialnej cz´Ä˜ci widma.
a jego wiek wynosi" przy- W Ęwietle wys"anym przez typowy
puszczalnie zaledwie jednÄ… kwazar linie L pojawiajÄ… si´ setki razy.
dziesiątą obecnego. Po drodze do KaŻda z nich jest rezultatem przejĘcia
nas Ęwiat"o kwazarów przechodzi wiązki przez inny ob"ok leŻący po dro-
przez ob"oki gazu, które nie zag´Ä˜ci"y dze i odpowiadajÄ…cy innemu przesuni´-
si´ jeszcze w takim stopniu, by utwo- ciu ku czerwieni, a zatem poch"aniajÄ…cy
rzyç dojrza"e galaktyki. Âwiat"o poch"a- Ęwiat"o o innej d"ugoĘci. PowstajÄ…ce
niane przez te ob"oki stanowi klucz do w rezultacie widmo jest przekrojem ko-
odpowiedzi na pytanie o ich sk"ad che- smicznej historii. Tak jak s"oje drzewa
przemiany. Deuter miczny. Niektóre z badanych ob"oków albo odwierty w skorupie lodu na Gren-
"atwo ulega zniszcze- zawierajÄ… w´giel i krzem (produkty syn- landii linie absorpcyjne w widmach kwa-
niu w gwiazdach, nawet tezy jądrowej w gwiazdach) w obfitoĘci zarów przynoszą informacje o procesie
w ich zewn´trznych war- mniejszej niÅ» jedna tysi´czna obfitoĘci przemiany tuÅ» po Wielkim Wybuchu
stwach i podczas wczesnych pro- tych pierwiastków w pobliskim kosmo- roz"oŻonego jednorodnie gazu w galak-
togwiazdowych etapów ewolucji. sie. Jest to znak, Że zachowa"y one nie- tyki, które obserwujemy dziĘ w ogrom-
Umierając gwiazdy odrzucają swoje mal ten sam sk"ad chemiczny, jaki mia- nych obszarach WszechĘwiata. Ta wiel-
zewn´trzne warstwy. Gaz w naszej Ga- "y bezpoĘrednio po Wielkim Wybuchu. ka liczba linii widmowych pozwala
laktyce wielokrotnie by" we wn´trzach Obserwowanie obiektów tak odle- jeszcze inaczej przekonaç si´ o pierwot-
gwiazd i poza nimi. Dlatego teÅ» wyniki g"ych ma jeszcze jednÄ… zalet´. G"ówny nym charakterze materii, która spo-
obserwacji pobliskich ob"oków mogÄ… su- sk"adnik tych ob"oków  wodór atomo- wodowa"a absorpcj´. Model Wielkiego
gerowaç jedynie najmniejszÄ… wartoĘç wy  poch"ania Ęwiat"o o ĘciĘle okreĘlo- Wybuchu przewiduje, Å»e wszystkie ob-
pierwotnej obfitoĘci deuteru. nych d"ugoĘciach fal w zakresie ultra- "oki powstające we wczesnych etapach
GdybyÅ» moÅ»na by"o dotrzeç do praw- fioletowym. Ów zbiór d"ugoĘci fal kosmicznej historii powinny mieç mniej
dziwie czystej, pierwotnej materii, która zwany jest seriÄ… Lymana. KaÅ»da z tych li- wi´cej ten sam sk"ad chemiczny. Wy-
nigdy nie przesz"a chemicznej ewolucji! nii absorpcyjnych (nazywana tak, gdyŻ znaczając obfitoĘci pierwiastków w
ChociaÅ» nie moÅ»emy przynieĘç takiej wyst´puje jako ciemny prÄ…Å»ek w wid- ob"okach, po"oÅ»onych w ogromnych
materii do laboratorium, potrafimy mie) odpowiada d"ugoĘci fali, przy któ- odleg"oĘciach od nas i od siebie na-
sprawdziç jej sk"ad chemiczny, badajÄ…c rej energia fotonu jest dok"adnie równa wzajem i b´dÄ…cych w róŻnym wieku,
wp"yw, jaki wywiera na widmo odle- energii potrzebnej do przeniesienia elek- sprawdzamy bezpoĘrednio kosmiczną
g"ych Ä™róde" Ęwiat"a. Jasne kwazary  tronu w atomie wodoru ze stanu pod- jednorodnoĘç.
najjaĘniejsze obiekty we WszechĘwiecie stawowego na kolejne, wyŻsze poziomy Analiza linii absorpcyjnych niektó-
 znajdujÄ… si´ tak daleko, Å»e Ęwiat"o, któ- energetyczne. Barwy tych linii naleŻą do rych ob"oków w widmach kwazarów
re dziĘ widzimy, zosta"o przez nie wy- dalekiego ultrafioletu i z powodu ab- pozwala okreĘliç zarówno iloĘç normal-
emitowane wtedy, kiedy rozmiary sorpcji atmosferycznej zwykle nie mo- nego wodoru w ob"okach, jak i zawar-
ÂWIAT NAUKI Luty 1997 37
a b c d
NUKLEOSYNTEZA, czyli powstawanie jÄ…der atomowych, zacz´"a si´ w chwil´ po Wielkim Wybuchu, kiedy wskutek stygni´cia Wszech-
Ęwiata podstawowe cząstki zwane kwarkami (a) utworzy"y protony i neutrony (b). Protony (czerwony) i neutrony (niebieski) po"ączy"y
si´ w pary, tworzÄ…c jÄ…dra deuteru, ale poniewaÅ» tych pierwszych by"o wi´cej niÅ» tych drugich, to wi´kszoĘç protonów pozosta"a samot-
na i przekszta"ci"a si´ w jÄ…dra wodoru (c). Niemal wszystkie jÄ…dra deuteru po"Ä…czy"y si´ i utworzy"y jÄ…dra helu (d), pozostawiajÄ…c ma-
leÅ‚kÄ… iloĘç deuteru, którÄ… staramy si´ dziĘ wykryç.
toĘç deuteru. PoniewaÅ» dodatkowa ma- przesz"o 20 lat prowadzi si´ takie obser- Po wielu nieudanych próbach na
sa w jÄ…drze deuteru zwi´ksza energi´ wacje, ale okazywa"y si´ one zbyt trud- mniejszych teleskopach w listopadzie
przejĘç atomowych o mniej wi´cej 1/4000 ne. Wielu z nas sp´dzi"o d"ugie noce, re- 1993 roku moi wspó"pracownicy: An-
(dwukrotnÄ… wartoĘç stosunku masy jestrujÄ…c fotony kapiÄ…ce jeden po drugim toinette Songaila i Lennox L. Cowie
protonu do masy elektronu), to moÅ»e- na detektory najwi´kszych na Ęwiecie te- z University of Hawaii, poĘwi´cili czas
my wyodr´bniç sygna" pochodzÄ…cy od leskopów tylko po to, by w koÅ‚cu si´ wyznaczony ich uniwersytetowi na ko-
deuteru. W rezultacie widmo absorp- przekonaç, Å»e pogoda, problemy z przy- rzystanie z teleskopu Kecka na tego
cyjne deuteru przypomina widmo jed- rządami, wreszcie brak czasu uniemoŻli- rodzaju obserwacje. Skierowali tele-
nonukleonowego wodoru, ale wszyst- wia zebranie iloĘci Ęwiat"a potrzebnej do skop na kwazar oznaczony numerem
kie linie sÄ… przesuni´te w stron´ uzyskania przekonujÄ…cego wyniku. Ob- 0014+813, dobrze znany astronomom,
niebieskiej cz´Ä˜ci widma o czynnik rów- serwacje te sÄ… dziĘ moÅ»liwe jedynie dzi´- gdyÅ» przez wiele lat by" to najjaĘniejszy
nowaŻny ruchowi w kierunku obser- ki udoskonalonym, bardziej wydajnym pojedynczy obiekt obserwowany we
watora z pr´dkoĘciÄ… 82 km/s. W spek- detektorom: teleskopowi Kecka na Hawa- WszechĘwiecie. Z wczeĘniejszych ob-
troskopowych obserwacjach ob"oków jach, mającemu zwierciad"o 10-metrowe, serwacji, dokonanych przez Raya J.
deuter pojawia si´ jako s"abe, przesu- i nowoczesnemu spektrografowi o wy- Weymanna z Observatories of the Car-
ni´te w stron´ niebieskiej cz´Ä˜ci widma sokiej zdolnoĘci rozdzielczej i duÅ»ej wy- negie Institution w Waszyngtonie i Fre-
 echo materii wodorowej. dajnoĘci jak HIRES, który jest zainstalo- derica Chaffeego, Craiga B. Foltza, Jill
Widma ujawniajÄ… teÅ» rozk"ad pr´d- wany na teleskopie Kecka. Bechtold oraz ich wspó"pracowników
koĘci i temperatury atomów. Atomy po-
ruszajÄ…ce si´ z róŻnÄ… pr´dkoĘciÄ…
PADAJŃCE ÂWIAT¸O
poch"aniają Ęwiat"o o nieco róŻ-
nej d"ugoĘci fali. Jest to spowo-
PIERWOTNY
dowane efektem Dopplera,
ELEMENT
DYFRAKCYJNY
zmieniajÄ…cym pozornÄ… d"ugoĘç
fali Ęwietlnej zaleÅ»nie od wzgl´dnej
ZWIERCIAD¸O
OGNISKUJŃCE
pr´dkoĘci Ä™ród"a i obserwatora. Wyko-
nujÄ…c chaotyczne ruchy termiczne, ato-
my poruszajÄ… si´ z pr´dkoĘciami oko"o
10 km/s, co powoduje zmiany d"ugo-
ÂWIAT¸OCZU¸Y
1
Ęci fali o /30 000. PoniewaŻ atomy deu-
ELEMENT
teru majÄ… dwukrotnie wi´kszÄ… mas´,
PÓ¸PRZEWODNIKOWY
przy tej samej temperaturze poruszajÄ…
SOCZEWKI KOREKCYJNE
si´ z pr´dkoĘciami oko"o 7 km/s i majÄ…
KOLIMATOR
nieco inny ich rozk"ad. Wspó"czesne
spektrografy mogÄ… wykryç te róŻnice
pr´dkoĘci termicznych, podobnie jak
koherentne ruchy materii zachodzÄ…ce
w wi´kszej skali.
Czekając na Ęwiat"o
SPEKTROGRAF wspó"pracujący
WTÓRNY
Choç spektrografy mogÄ… "atwo roz- z teleskopem Kecka moÅ»e rozróŻniç
ELEMENT
30 tys. kolorów. Dwa elementy dyfrakcyjne,
dzieliç Ęwiat"o o d"ugoĘciach fal odpo-
DYFRAKCYJNY
dzia"ające jak pryzmat, rozszczepiają Ęwiat"o.
wiadajÄ…cych zwyk"emu wodorowi i deu-
Dodatkowe elementy skupiajÄ… wiÄ…zk´ na waflu
terowi, to rozszczepienie wiązki Ęwiat"a
krzemowym  o powierzchni kilku centymetrów
odleg"ego kwazara na 30 tys. róŻnych ko-
kwadratowych  tworzÄ…c takie obrazy jak przedstawione
lorów pozostawia bardzo niewiele Ęwia-
na stronie 34. Wafel zawiera aÅ» 4 mln mikroskopijnych
t"a przypadającego na kaŻdy kolor. Od fotodetektorów, z których kaŻdy ma rozmiary zaledwie 20 m.
38 ÂWIAT NAUKI Luty 1997
IAN WORPOLE
IAN WORPOLE
IAN WORPOLE
z University of Arizona, wynika, Å»e ca"- toĘç deuteru jest niemal dziesi´ciokrot-
kiem dziewiczy ob"ok gazu znajduje si´ nie niÅ»sza niÅ» nasze oszacowanie. Trze-
przed tym kwazarem. ba czasu, by sprawdziç, czy ich wynik
JuÅ» pierwsze widmo uzyskane w ciÄ…- odpowiada prawdziwej pierwotnej war-
gu kilku godzin za pomocÄ… teleskopu toĘci. NiÅ»sza obfitoĘç deuteru moÅ»e byç
Kecka by"o dostatecznie wysokiej jako- rezultatem spalania w reakcjach jÄ…-
Ęci, by udalo si´ odkryç Ęlady praw- drowych zachodzÄ…cych w pierwszych
dopodobnej obecnoĘci kosmicznego gwiazdach. MoÅ»e teÅ» oznaczaç, Å»e deu-
deuteru. Widaç w nim by"o uk"ady li- ter nie powstawa" tak jednorodnie, jak to
nii absorpcyjnych wodoru poruszajÄ…ce- przewiduje model Wielkiego Wybuchu.
go si´ z róŻnymi pr´dkoĘciami, jak teÅ»
niemal idealne echo linii L , w charak- Klucz do zagadki ciemnej materii
terystyczny dla deuteru sposób przesu-
ni´te w stron´ fal krótkich. Nat´Å»enie JeĘli wyznaczona przez nas wysoka
linii absorpcyjnych w tym echu odpo- obfitoĘç pierwotnego deuteru jest pra-
wiada"o mniej wi´cej dwom atomom wid"owa, to zgadza si´ ona z przewidy-
deuteru na kaŻde 10 tys. atomów wo- waniami standardowego modelu Wiel-
doru. Od tego czasu wynik zosta" po- kiego Wybuchu przy wartoĘci , od-
KWAZAR 0014+813 jest jednym z najjaĘniej-
twierdzony niezaleÅ»nie przez Roberta powiadajÄ…cej mniej wi´cej dwom bario-
szych znanych obiektów we WszechĘwiecie.
F. Carswella z University of Cambrid- nom na kaŻde 10 mld fotonów. Przy ta-
Zdj´cie przedstawia obraz kwazara uzyska-
ge i jego kolegów, którzy uŻywali czte- kiej wartoĘci przewidywania modelu
ny za pomocą radioteleskopu. Analiza Ęwia-
rometrowego teleskopu Mayall naleŻą- Wielkiego Wybuchu sÄ… teÅ» zgodne z ob- t"a emitowanego przez materi´ z okolic
supermasywnej czarnej dziury po"oŻonej
cego do Kitt Peak National Observatory serwowaną obfitoĘcią litu w najstar-
w Ęrodku bardzo m"odej galaktyki, która
w Arizonie. Dokonana póęniej analiza szych gwiazdach i oszacowaniami ob-
znajduje si´ na kraÅ‚cach obserwowanego
wykaza"a, Że termiczne poszerzenie li- fitoĘci pierwotnego helu w pobliskich
WszechĘwiata, umoŻliwi"a pierwsze pomia-
nii absorpcyjnych deuteru by"o nieduŻe, galaktykach ubogich w metale. Potwier-
ry obfitoĘci pierwotnego wodoru.
tak jak tego oczekiwano. dzenie tego wyniku by"oby rewelacjÄ….
Jest moÅ»liwe, Å»e cz´Ä˜ç obserwowanej Oznacza"oby bowiem, Å»e kosmolodzy
przez nas absorpcji by"a wynikiem przy- wiedzÄ…, co zasz"o zaledwie po jednej materia nie moÅ»e byç utworzona ze
padkowej obecnoĘci niewielkiego ob"o- sekundzie od rozpocz´cia ekspansji zwyk"ej materii atomowej.
ku wodoru, który oddala si´ od nas aku- WszechĘwiata. Pokaza"oby poza tym, Kosmolodzy proponowali wiele
rat o 82 km/s wolniej niŻ g"ówny ob"ok Że historia materii po"oŻonej w wielkiej róŻnych postaci niebarionowej materii.
przez nas Ęledzony. W takim przy- odleg"oĘci jest taka sama jak pobliskiej, Teoria Wielkiego Wybuchu przewidu-
padku obfitoĘç deuteru by"aby mniej- co zak"adajÄ… nawet najprostsze modele je na przyk"ad, Å»e WszechĘwiat wype"-
sza, niÅ» myĘlimy. Choç a priori taka ko- WszechĘwiata. nia niemal taka sama iloĘç reliktowych
incydencja jest ma"o prawdopodobna, Ocena wartoĘci jest zasadniczo neutrin co reliktowych fotonów. Gdyby
powinniĘmy uznaç nasze oceny za wy- zgodna z g´stoĘciÄ… barionów w dzisiej- mia"y one mas´ choçby kilka miliardów
nik przybliÅ»ony. Niemniej skutecznoĘç szym WszechĘwiecie. Z obserwowanej razy mniejszÄ… od masy protonu (rów-
uÅ»ywanej przez nas techniki jest oczywi- g´stoĘci fotonów wynika, Å»e g´stoĘç ba- nowartoĘç kilku elektronowoltów), to
sta. KorzystajÄ…c z instrumentów nowej rionów odpowiada mniej wi´cej jedne- poziom neutrin w masie materii we
generacji, moÅ»na obserwowaç ob"oki mu atomowi na kaÅ»de 10 m3. Jest to nie- WszechĘwiecie by"by w przybliÅ»eniu
absorpcyjne po"oŻone na drodze do in- mal tyle samo, ile wynika z prostego równy "ącznej masie wszystkich bario-
nych kwazarów. Wkrótce b´dziemy zsumowania iloĘci materii zawartej nów. Jest równieÅ» moÅ»liwe, Å»e w pierw-
dysponowaç statystycznÄ… próbkÄ… obfi- w znanych nam gwiazdach, planetach, szych chwilach po Wielkim Wybuchu
toĘci deuteru w ob"okach pierwotnego pyle, gazie, "ącznie z samymi ob"okami powsta"y cząstki reliktowe, których nie
gazu. Zarówno nasza grupa, jak i inne absorpcyjnymi. Niewidocznych bario- uda"o si´ nam wytworzyç w laborato-
zespo"y opublikowa"y dotychczas wyni- nów nie jest duŻo. JednoczeĘnie jednak rium. W kaŻdym jednak przypadku
ki pomiarów obfitoĘci deuteru w oĘmiu wyniki obserwacji sugerują, Że aby opi- model Wielkiego Wybuchu poparty
róŻnych ob"okach. saç pole grawitacyjne galaktyk i ich ha- obserwacjami stanowi schemat po-
Jeden z najbardziej intrygujÄ…cych wy- lo, naleÅ»y za"oÅ»yç istnienie ogromnych zwalajÄ…cy przewidywaç astrofizyczne
ników otrzymali David Tytler i Scott iloĘci ciemnej materii  co najmniej 10 konsekwencje takich nowych idei
Burles z University of California w San razy wi´cej niÅ» obserwowanych bario- fizycznych.
Diego i Xiao-Ming Fan z Columbia Uni- nów. Z naszych oszacował wysokiej ob-
T"umaczy"
versity. Wyznaczona przez nich obfi- fitoĘci deuteru wynika wi´c, Å»e ciemna Stanis"aw Bajtlik
Informacje o autorze Literatura uzupe"niajÄ…ca
CRAIG J. HOGAN bada zakamarki WszechĘwiata. THE FIRST THREE MINUTES. Steven Weinberg; Basic Books, 1977.
Jest dziekanem Wydzia"u Astronomii i profesorem THE PHYSICAL UNIVERSE: AN INTRODUCTION TO ASTRONOMY. F. H. Shu; University Scien-
wydzia"ów fizyki i astronomii w University of Wa- ce Books, Mill Valley, Calif., 1982.
shington. Hogan wychowa" si´ w Los Angeles, a sto- A SHORT HISTORY OF THE UNIVERSE. J. Silk; W. H. Freeman and Company, 1994.
pieł baka"arza uzyska" w Harvard College w 1976 ro- DEUTERIUM ABUNDANCE AND BACKGROUND RADIATION TEMPERATURE IN HIGH-REDSHIFT PRI-
ku. Stopieł doktora otrzyma" w University of MORDIAL CLOUDS. A. Songaila, L. L. Cowie, C. J. Hogan i M. Rugers, Nature, vol. 368,
Cambridge w 1980 roku. Po staŻach naukowych w ss. 599-604, 14 IV 1994.
University of Chicago i California Institute of Techno- COSMIC ABUNDANCES. ASP Conference Series, vol. 99. Red. S. S. Holt i G. Sonneborn;
logy przez 5 lat by" profesorem w Steward Observa- Astronomical Society of the Pacific, 1996.
tory przy University of Arizona. W 1990 roku prze- THE HISTORY OF THE GALAXIES. M. Fukugita, C. J. Hogan i P. J. E. Peebles, Nature, vol.
niós" si´ do Seattle. 381, ss. 489-495, 6 VI 1996.
ÂWIAT NAUKI Luty 1997 39
Za zgodÄ… U.S. NAVAL OBSERVATORY; IAN WORPOLE (wzmocnienie barw)


Wyszukiwarka