Kreditna slika: Chandra
Zamislite da prirodni teleskop učinite moćnijim od bilo kojeg drugog teleskopa koji trenutno radi. Zatim zamislite da ga koristite kako biste pogledali bliže rubu crne rupe u kojoj su usta poput mlaza koji stvara super vruće nabijene čestice i ispljune ih milijunima svjetlosnih godina u svemir. Čini se da bi zadatak bio odvesti jedan do ruba povratka, nasilno mjesto četiri milijarde svjetlosnih godina sa Zemlje. To se mjesto zove kvazar pod nazivom PKS 1257-326. Njegov blještavi bljesak na nebu dobio je upečatljiviji naziv 'blazar', što znači da je kvazar koji dramatično varira u svjetlini i može prikriti još tajnovitiju, unutarnju crnu rupu ogromne gravitacijske moći.
Duljina teleskopa potrebna za gledanje u usta blazara trebala bi biti ogromna, široka oko milijun kilometara. Ali upravo takav prirodni objektiv pronašao je tim australijskih i europskih astronoma; njegova leća je nevjerojatno, oblak plina. Ideja ogromnog, prirodnog teleskopa čini se previše elegantnom da se ne bi zavirio u njega.
Tehniku nazvanu "Sinteza orbita Zemlje" prvi su opisali dr. Jean-Pierre Macquart sa Sveučilišta u Groningenu u Nizozemskoj i CSIRO-ov dr. David Jauncey u radu objavljenom 2002. Nova tehnika obećava istraživačima mogućnost rješavanja detalja oko 10 mikrokarsekundi, što je jednako kockici kocke šećera na Mjesecu, sa Zemlje.
"To je sto puta finiji detalj nego što to možemo vidjeti s bilo kojom drugom trenutnom astronomskom tehnikom", kaže dr. Hayley Bignall, koja je nedavno doktorirala na Sveučilištu u Adelaidi, a sada je na JIVE-u, Zajedničkom institutu za vrlo dugu baznu interferometriju u Europi. „Deset je tisuća puta bolje nego što to može učiniti Hubble svemirski teleskop. I moćan je poput svih predloženih budućih svemirskih optičkih i rendgenskih teleskopa. "
Bignall je promatranja obavio radio teleskopom CSIRO Australia Telescope Compact Array u istočnoj Australiji. Kad se ona odnosi na mikrokarsekundu, to je mjera kutne veličine ili kako veliki objekt izgleda. Ako je, na primjer, nebo podijeljeno u stupnjevima kao polutka, jedinica je oko trećine milijarde jednog stupnja.
Kako djeluje najveći teleskop? Korištenje nezgrapnosti u oblaku plina nije sasvim nepoznato noćnim promatračima. Poput atmosferske turbulencije zvijezde blistaju, i naša galaksija ima sličnu nevidljivu atmosferu nabijenih čestica koje ispunjavaju praznine između zvijezda. Svaka nakupina ovog plina može prirodno stvoriti sočivo, baš kao i promjena gustoće sa savijenog zraka u staklo i usredotočiti svjetlost na ono što je Galileo prvi put vidio kada je usmjerio svoj prvi teleskop prema zvijezdi. Učinak se također naziva scintilacija, a oblak djeluje poput leće.
Vidjeti bolje od bilo koga drugog možda je izvanredno, ali kako odlučiti gdje prvo pogledati? Tim je posebno zainteresiran pomoću "Sinteze orbita-Zemlje" da zaviri u blizinu crnih rupa u kvazarima, koji su super svijetle jezgre dalekih galaksija. Ovi kvazari podvrgavaju se tako malim uglovima na nebu da su puke svjetlosne ili radio emisije. Na radio valnim duljinama neki su kvazari dovoljno mali da u atmosferi naše Galaksije zablistaju napunjene čestice, nazvane joniziranim međuzvjezdanim medijem. Kvazori trepere ili se razlikuju mnogo sporije nego što se treperenje povezuje s vidljivim zvijezdama. Stoga promatrači moraju biti strpljivi da ih pogledaju, čak i uz pomoć najmoćnijih teleskopa. Svaka promjena za manje od jednog dana smatra se brzom. Najbrži scintilatori imaju signale koji udvostruče ili povećavaju snagu u manje od sat vremena. U stvari, najbolja dosadašnja zapažanja imaju koristi od godišnjeg kretanja Zemlje, budući da godišnja varijacija daje cjelovitu sliku, što potencijalno omogućuje astronomima da vide nasilne promjene u ustima mlaza crne rupe. To je jedan od ciljeva tima: "vidjeti u roku od trećine svjetlosne godine od uporišta jednog od ovih mlazeva", prema CSIRO-ovom dr. Jaunceyju. "To je" poslovni kraj "gdje se pravi mlaz."
Nije moguće "vidjeti" u crnu rupu, jer su ove urušene zvijezde toliko guste, da njihova nadmoćna gravitacija ne dopušta čak ni da svjetlost pobjegne. Samo ponašanje materije izvan horizonta neke udaljenosti od crne rupe može signalizirati da one čak i postoje. Najveći teleskop može pomoći astronomima da shvate veličinu mlaza u njegovom dnu, oblik magnetskog polja i kako se mlaz razvija s vremenom. "Čak možemo potražiti promjene dok se materije zalede u blizini crne rupe i ispljunu ih duž mlazeva", kaže dr. Macquart.
Astrobiology Magazine imao je priliku razgovarati s Hayley Bignall o tome kako napraviti teleskop od plinskih oblaka i zašto zaviriti dublje od ikoga prije može ponuditi uvid u izvanredne događaje u blizini crnih rupa. Astrobiology Magazine (AM): Kako ste se prvi put zainteresirali za upotrebu plinskih oblaka kao dijela prirodnog fokusa za rješavanje vrlo udaljenih objekata?
Hayley Bignall (HB): Ideja o korištenju međuzvjezdane scintilacije (ISS), fenomena zbog rasipanja radio valova u turbulentnim, ioniziranim galaktičkim oblacima "plina", za rješavanje vrlo udaljenih, kompaktnih objekata, zaista predstavlja konvergenciju nekoliko različitih linije istraživanja, pa ću malo osvijetliti povijesnu pozadinu.
Šezdesetih godina prošlog vijeka radio-astronomi su koristili drugu vrstu scintilacije, međuplanetarnu scintilaciju, uslijed raspršivanja radio valova u sunčevom vjetru, za mjerenje kutnih veličina sub-arcsekunde (1 luk = 1/3600 stupnjeva luka) radijskih izvora. To je bila veća razlučivost nego što se to u to vrijeme moglo postići drugim sredstvima. Ali ove su studije uglavnom uskočile s pojavom vrlo duge osnovne interferometrije (VLBI) u kasnim šezdesetim godinama, koja je omogućila izravno snimanje radio izvora s mnogo većom kutnom razlučivošću - danas VLBI postiže razlučivost bolju od miljarkunde.
Osobno sam se zainteresirao za potencijalnu uporabu međuzvjezdane scintilacije kroz uključivanje u studije o varijabilnosti radio izvora - posebno varijabilnosti „blazara“. Blažar je upadljivo ime primijenjeno na neke kvazare i BL Lacertae objekte - to jest aktivni galaktički nuklei (AGN), koji vjerojatno sadrže supermasivne crne rupe kao njihove "središnje motore", koji imaju snažne mlazove energičnih, zračećih čestica usmjerenih gotovo ravno prema nama ,
Tada vidimo učinke relativističkog zračenja u zračenju iz mlaza, uključujući brzu varijabilnost intenziteta u čitavom elektromagnetskom spektru, od radija do visokoenergetskih gama zraka. Većina uočene varijabilnosti u tim objektima mogla se objasniti, ali postojao je problem: neki su izvori pokazali vrlo brzu, unutardnevnu radio varijabilnost. Da su takve kratke varijabilnosti vremenskih razmjera na tako dugim (centimetrskim) valnim duljinama bile svojstvene izvorima, bilo bi previše vruće da se zadržavaju okolo godinama, kao što su to mnogi vidjeli. Izvori koji su vrući trebali bi vrlo brzo zračiti svu svoju energiju, kao X-zrake i gama-zrake. S druge strane, već se znalo da međuzvjezdana scintilacija utječe na radio valove; pa je pitanje da li je vrlo brza radio varijabilnost zapravo ISS ili svojstveno izvorima bilo važno riješiti.
Tijekom doktorskog istraživanja slučajno sam utvrdio brzu varijabilnost u kvazaru (blazar) PKS 1257-326, što je jedna od tri najbrže radio-varijable AGN-a ikad opaženih. Moje kolege i ja bili smo u mogućnosti da pokažemo da je brza radio varijabilnost nastala zbog ISS [scintilacije]. Slučaj ovog posebnog izvora dodan je svim dokazima da je dnevna radio varijabilnost uglavnom posljedica ISS-a.
Izvori koji prikazuju ISS moraju imati vrlo male, mikrookretnice, kutne veličine. Promatranja ISS-a mogu se zauzvrat upotrijebiti za "mapiranje" strukture izvora s mikroarkundonskom razlučivošću. To je puno veća razlučivost nego što to može postići i VLBI. Tehniku su u radu iz 2002. godine opisale dvojica mojih kolega, dr. Jean-Pierre Macquart i dr. David Jauncey.
Quasar PKS 1257-326 pokazao se vrlo lijep „zamorčić“ kojim je pokazao da tehnika stvarno radi.
AM: Principi scintilacije vidljivi su svima čak i bez teleskopa, točno - gdje zvijezda treperi jer pokriva vrlo mali kut na nebu (budući da je tako daleko), ali planeta u našem Sunčevom sustavu ne scintilate vidljivo? Je li to fer usporedba načela za vizualnu procjenu udaljenosti s scintilacijom?
HB: Usporedba s viđenjem zvijezda koje svjetlucaju kao rezultat atmosferske scintilacije (zbog turbulencije i temperaturnih fluktuacija u Zemljinoj atmosferi) je prilična; osnovni fenomen je isti. Ne vidimo planete koji svjetlucaju jer imaju mnogo veće kutne veličine - scintilacija se "razmazuje" po promjeru planete. U ovom slučaju, naravno, zato što su planete toliko blizu da podnose veće kutove na nebu od zvijezda.
Scintilacija nije baš korisna za procjenu udaljenosti do kvazara: međutim, predmeti koji se nalaze dalje nemaju uvijek manje kutne veličine. Na primjer, svi pulsari (predenje neutronskih zvijezda) u našem vlastitom Galaxy scintilatu jer imaju vrlo sitne kutne veličine, mnogo manje od bilo kojeg kvazara, iako su kvazi često udaljeni milijarde svjetlosnih godina. U stvari, scintilacija se koristi za procjenu pulsarskih udaljenosti. Ali za kvazare postoje mnogi čimbenici osim udaljenosti koji utječu na njihovu prividnu kutnu veličinu, a da oni dodatno kompliciraju, na kosmološkim udaljenostima, kutna veličina objekta više ne varira kao obrnuta udaljenost. Općenito, najbolji način procjene udaljenosti do kvazara je mjerenje crvenog pomaka njegovog optičkog spektra. Tada možemo pretvoriti izmjerene kutne ljestvice (npr. Iz scintilacije ili VLBI promatranja) u linearne vage na crveno pomicanje izvora
AM: Opisani teleskop nudi primjer kvazara koji je izvor radija i za kojeg se primjećuje da varira tijekom čitave godine. Postoje li prirodna ograničenja vrste izvora ili duljine promatranja?
HB: Postoje podjezi pod kutnom veličinom, izvan kojih scintilacija "ugašava". Raspodjela svjetline radijskog izvora može se zamisliti kao gomila neovisno scintilirajućih „zakrpa“ određene veličine, tako da se kako se izvor povećava, broj takvih zakrpa povećava, a na kraju scintilacija po svim zakrpama prosječno poraste, tako da prestati promatrati bilo kakve varijacije uopće. Iz prethodnih opažanja znamo da za ekstragalaktičke izvore oblik radio-spektra ima puno veze s tim koliko je kompaktan izvor - izvori s "ravnim" ili "obrnutim" radio-spektrima (tj. Gustoća fluksa koja raste prema kraćim valnim duljinama) najkompaktniji. Oni također imaju tendenciju da su „blazar“ izvori.
Što se tiče duljine promatranja, potrebno je dobiti mnogo neovisnih uzoraka scintilacijskog uzorka. To je zato što je scintilacija stohastički proces i moramo znati neke statistike postupka kako bismo izvukli korisne informacije. Za brze scintilatore poput PKS 1257-326, možemo dobiti adekvatan uzorak scintilacijskog uzorka iz samo jedne, tipične 12-satne sesije promatranja. Za dobivanje istih podataka potrebno je promatrati sporije scintilatore nekoliko dana. Međutim, postoje neke nepoznanice koje je potrebno riješiti, kao što je najveća brzina raspršujućeg „ekrana“ u galaktičkom međuzvjezdanom mediju (ISM). Promatrajući u intervalima raspoređenim tijekom cijele godine, možemo se odlučiti za ovu brzinu - i što je važno, dobivamo i dvodimenzionalne informacije o scintilacijskom uzorku, a samim tim i izvorišnoj strukturi. Dok se Zemlja kreće oko Sunca, mi učinkovito probijamo scintilacijski uzorak pod različitim kutovima, jer relativna brzina Zemlje / ISM varira tijekom godine. Naša istraživačka skupina ovu je tehniku nazvala "Orbitalna sinteza Zemlje", kao što je analogna "sintezi rotacije Zemlje", standardnoj tehnici radio interferometrije.
AM: Nedavna procjena broja zvijezda na nebu procijenila je da u poznatom svemiru postoji deset puta više zvijezda od zrna pijeska na Zemlji. Možete li opisati zašto su mlazovi i crne rupe zanimljivi kao teško rješivi objekti, čak i korištenjem sadašnjih i budućih svemirskih teleskopa poput Hubblea i Chandra?
HB: Predmeti koje proučavamo su neki od najenergičnijih fenomena u svemiru. AGN može biti i do ~ 1013 (10 do snage 13 ili 10.000 trilijuna) puta svjetlije od Sunca. Jedinstveni su "laboratoriji" za fiziku visokih energija. Astrofizičari bi željeli potpuno razumjeti procese koji su uključeni u formiranje ovih nevjerojatno snažnih mlaznica u blizini središnje supermasivne crne rupe. Koristeći scintilacijom za rješavanje unutarnjih područja radijskih zrakoplova, zavirimo blizu „mlaznice“ gdje se mlaz formira - bliži akciji nego što to možemo vidjeti s bilo kojom drugom tehnikom!
AM: U svom istraživačkom radu ističete kako brzina i koliko jaki radio signal ovisi o veličini i obliku radijskog izvora, veličini i strukturi plinskih oblaka, brzini i smjeru Zemlje dok putuje oko Sunca, te brzinu i smjer u kojem putuju oblaci plina. Postoje li ugrađene pretpostavke ili o obliku „leće“ plinskog oblaka ili obliku promatranog predmeta koji je dostupan tehnikom?
Maglica prstena, iako nije korisna za snimanje, ima sugestivan izgled dalekoga leća teleskopa. 2.000 svjetlosnih godina udaljeno u smjeru zviježđa, Lyra, prsten nastaje u kasnim fazama života unutarnje zvijezde, kada propušta debeli i širi vanjski sloj plina. Zasluga: NASA Hubble HST
HB: Umjesto da pomislimo na plinske oblake, možda je preciznije slikati "zaslon" ioniziranog plina ili plazme koji se mijenja fazno, a koji sadrži veliki broj turbulencija. Glavna pretpostavka koja ide u model jest da ljestvica veličine turbulentnih fluktuacija slijedi spektar zakona snage - ovo se čini razumnom pretpostavkom, iz onoga što znamo o općim svojstvima turbulencije. Turbulencija bi mogla biti preferirano izdužena u određenom smjeru, zbog strukture magnetskog polja u plazmi, a u načelu možemo dobiti neke podatke o tome iz promatranog scintilacijskog obrasca. Dobivamo i neke podatke iz scintilacijskog uzorka o obliku promatranog objekta, tako da nema ugrađenih pretpostavki o tome, mada u ovoj fazi možemo koristiti samo prilično jednostavne modele za opisivanje strukture izvora.
AM: Jesu li brzi scintilatori dobra meta za širenje mogućnosti ove metode?
HB: Brzi scintilatori dobri su samo zato što ne trebaju toliko vremena za promatranje kao i sporiji scintilalatori da bi dobili istu količinu informacija. Prva tri "sat vremena" scintilatora naučila su nas mnogo o procesu scintilacije i o tome kako napraviti "Sintezu orbite Zemlje".
AM: Planiraju li se dodatni kandidati za buduća zapažanja?
HB: Moje kolege i ja nedavno smo poduzeli veliko istraživanje, koristeći Vrlo veliki niz u Novom Meksiku, u potrazi za novim blistavim radio izvorima. Prvi rezultati ovog istraživanja, na čelu s dr. Jimom Lovelom iz Nacionalnog zavoda za teleskop teleskopa CSIRO (ATNF), nedavno su objavljeni u Astronomskom časopisu (listopad 2003). Od 700 opaženih radijskih izvora ravnog spektra, pronašli smo više od 100 izvora koji su pokazali značajnu varijabilnost intenziteta tijekom trodnevnog razdoblja. Poduzimamo naknadna promatranja kako bismo naučili više o strukturi izvora na ultra kompaktnim, mikrokarsekundnim ljestvicama. Usporedit ćemo ove rezultate s drugim izvorima svojstava, poput emisije na drugim valnim duljinama (optička, rendgenska, gama-zraka), i strukture na većim prostornim mjerilima, kao što je to kod VLBI. Na ovaj način se nadamo da ćemo saznati više o tim vrlo kompaktnim izvorima velike svjetline, a također ćemo u tom procesu saznati više o svojstvima međuzvjezdanog medija našeg vlastitog Galaxyja.
Čini se da je razlog za vrlo brzu scintilaciju u nekim izvorima taj što je plazma "raspršeni ekran" koji uzrokuje najveći dio scintilacije vrlo blizu, u roku od 100 svjetlosnih godina Sunčevog sustava. Ovi obližnji "ekrani" su očito rijetki. Naše istraživanje pokazalo je vrlo malo brzih scintilatora, što je bilo pomalo iznenađujuće jer su se dva od tri najbrža poznata scintilatora otkrila lagano. Mislili smo da bi moglo biti još mnogo takvih izvora!
Izvorni izvor: Astrobiology Magazine
