(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. PoniewaÅ» wodór jest pod- ka nadzwyczaj prosty model oczywiste jak w warunkach panujÄ…cych stawowym paliwem w gwiazdach, dzi´- Zwczesnego WszechĘwiata: nie ma dziĘ. CzÄ…stki 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- JÄ…dra atomowe, które powsta"y tura spad"a poniÅ»ej 10 mld stopni, a w pierwszych sekundach i minutach ist- przemiany protonów w neutrony i od- nienia WszechĘwiata, dostarczajÄ… do- wrotnie usta"y, na kaÅ»dy 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"oÅ»o- 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 waÅ»nym wskaÄ™nikiem. 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, tworzÄ…c jÄ…dro 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 juÅ» tak ma"a, Å»e 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"Ä…czone do zu. Wyniki tych pomiarów pomogÄ… jÄ…der 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 bliÅ»ej 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 duÅ»ej zdolnoĘci rozdzielczej. WszechĘwiata wynosi" zaledwie jednÄ… wolnych jÄ…der 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"oÅ‚ca. 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 czÄ…stek nazywanych bariona- na popió", poniewaÅ» ogieÅ‚ 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- niÅ» 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"oÅ»onych WszechĘwiata. MoÅ»emy jÄ… 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 niÅ» jeden barion na kaÅ»dy miliard fotonów. Temperatura kosmicznego promieniowania t"a mówi nam bezpo- Ęrednio, jaka jest liczba fotonów pozo- sta"ych po Wielkim Wybuchu. DziĘ kaÅ»- 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 wiedzÄ…, Å»e 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 Ä™ród"em we WszechĘwiecie, to juÅ» sa- ma obecnoĘç tego izo- topu ogranicza naj- wĘród gwiazd w naszej Galaktyce, ale podatnoĘç izotopu na 9 MLD LAT TEMU przemiany jÄ…drowe kaÅ»e 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"oÅ»onych na kraÅ‚cu 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 pomocÄ… 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 Å»e 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. dziesiÄ…tÄ… obecnego. Po drodze do KaÅ»da z nich jest rezultatem przejĘcia nas Ęwiat"o kwazarów przechodzi wiÄ…zki 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 jÄ…drowej w gwiazdach) w obfitoĘci zarów przynoszÄ… 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"oÅ»onego jednorodnie gazu w galak- togwiazdowych etapów ewolucji. sie. Jest to znak, Å»e zachowa"y one nie- tyki, które obserwujemy dziĘ w ogrom- UmierajÄ…c gwiazdy odrzucajÄ… 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 powstajÄ…ce 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, gdyÅ» znaczajÄ…c 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 kosmicznÄ… g"ych Ä™róde" Ęwiat"a. Jasne kwazary tronu w atomie wodoru ze stanu pod- jednorodnoĘç. najjaĘniejsze obiekty we WszechĘwiecie stawowego na kolejne, wyÅ»sze 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 czÄ…stki zwane kwarkami (a) utworzy"y protony i neutrony (b). Protony (czerwony) i neutrony (niebieski) po"Ä…czy"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- rzÄ…dami, wreszcie brak czasu uniemoÅ»li- 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 nowaÅ»ny 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, majÄ…cemu 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"aniajÄ… 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. PoniewaÅ» 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. CzekajÄ…c na Ęwiat"o SPEKTROGRAF wspó"pracujÄ…cy 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"ajÄ…ce jak pryzmat, rozszczepiajÄ… Ęwiat"o. wiadajÄ…cych zwyk"emu wodorowi i deu- Dodatkowe elementy skupiajÄ… wiÄ…zk´ na waflu terowi, to rozszczepienie wiÄ…zki 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 przypadajÄ…cego na kaÅ»dy kolor. Od fotodetektorów, z których kaÅ»dy 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 kaÅ»de 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 kaÅ»de 10 mld fotonów. Przy ta- Zdj´cie przedstawia obraz kwazara uzyska- ge i jego kolegów, którzy uÅ»ywali czte- kiej wartoĘci przewidywania modelu ny za pomocÄ… 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"oÅ»onej cego do Kitt Peak National Observatory serwowanÄ… obfitoĘciÄ… 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, Å»e termiczne poszerzenie li- fitoĘci pierwotnego helu w pobliskich WszechĘwiata, umoÅ»liwi"a pierwsze pomia- nii absorpcyjnych deuteru by"o nieduÅ»e, 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 niÅ» g"ówny ob"ok Å»e historia materii po"oÅ»onej 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"oÅ»one na drodze do in- mal tyle samo, ile wynika z prostego równy "Ä…cznej 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, "Ä…cznie z samymi ob"okami powsta"y czÄ…stki 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 duÅ»o. JednoczeĘnie jednak rium. W kaÅ»dym jednak przypadku ki pomiarów obfitoĘci deuteru w oĘmiu wyniki obserwacji sugerujÄ…, Å»e 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 oszacowaÅ‚ 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. pieÅ‚ baka"arza uzyska" w Harvard College w 1976 ro- DEUTERIUM ABUNDANCE AND BACKGROUND RADIATION TEMPERATURE IN HIGH-REDSHIFT PRI- ku. StopieÅ‚ 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 staÅ»ach 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)