| Malcolm
S. Longair
Az olyan tudományágakban, mint a fizika, az asztrofizika és a kozmológia, a jövőre vonatkozó jóslatok veszélyeket rejtenek magukban. Ennek ellenére most mégis ilyesmivel próbálkozom néhány, szerintem kiemelkedő jelentőségűnek ítélt területre vonatkozóan. Az itt tárgyalandó kutatási témák mindegyikének továbbfejlődése szempontjából fontosak az alábbi teendők. • Az asztrofizika és kozmológia megértéséhez elengedhetetlen a megfigyelési lehetőségek továbbfejlesztése, az észlelési adatok értelmezéséhez pedig az elméleti háttér elmélyítése. • Folytatni kell az új irányzatok kifejlesztését a csillagászat művelésében: minden hullámhosszon javítandó a szögfelbontás és a spektrális felbontás; detektoraink érzékenysége fokozandó; növelni kell a kapott adatok mennyiségét; új csillagászati technikákat kell kifejleszteni; a fizika, az asztrofizika és a kozmológia újonnan bevezetett fogalmainak alkalmazásával pedig új paramétertereket érdemes megnyitni. • Folytatni kell a földfelszíni és az űrben végzett csillagászati kutatások partneri viszonyának kiaknázását, az adatok együttes analízisét. • Támogatni kell az elméleti kutatások fejlesztését, beleértve a szuperszámítógépek alkalmazását. Korábbi tapasztalatainkból azt a tanulságot szűrtük le, hogy az Univerzum tele van meglepetésekkel. Érdekes összevetni, hogy milyen csillagászati kutatásokat reméltünk a Hubble-űrtávcső (HST) alkalmazásától 1977-ben, a projekt kezdetén, és végül mit sikerült elérni a HST segítségével. A beavatottak közül mindenki habozás nélkül azt állítaná, hogy a HST még az optimista várakozásokat is jócskán felülmúlta. A ténylegesen végrehajtott kutatási program sokkal lenyűgözőbb, mint amilyennek az 1970-es évek „földhöz ragadt” csillagászatából kiindulva tett javaslatok alapján ígérkezett. Remek példa erre a Napéhoz hasonló tömegű, fiatal csillagokat körülvevő porkorongok felfedezése. Ilyen korongokat az Orion-ködben találtak először a köd fényes háttere előtt kirajzolódva. Ebben az is érdekes, hogy egészen véletlenül fedezték fel őket. Amikor kiderült, hogy miféle képződményekről is van szó, akkor rengeteg kis tömegű, ködbeli csillag körül találtak ilyeneket, ezek a megfigyelések pedig betekintést engednek a korong és a bolygórendszerek keletkezésének folyamatába. Ugyancsak jó példa a Naprendszeren kívüli bolygók felfedezése. A fiatalkoromban kiadott tankönyvek meg voltak győződve arról, hogy az exobolygók a gazdacsillaguk látszó pozíciójának periodikus ingadozása alapján mutathatók ki. Aztán kiderült, hogy a csillagászok a mérési zajhoz illesztgettek szinuszhullámokat. Az utóbbi évtized egyik elképesztő felfedezése az ilyen ingadozások pontos kimutatása volt - de azok érzékeléséhez előbb nagy felbontású és rendkívül stabil optikai spektrográfokat kellett kifejleszteni. Jelenleg mintegy 120 exobolygót ismerünk 110 csillag körül2, és e bolygók többségének tömege a Jupiter tömegének nagyságrendjébe esik. Ebben az is megdöbbentő, hogy ezek a bolygórendszerek egészen másmilyenek, mint a mi Naprendszerünk. Az exo-Jupiterek nagyon közel keringenek csillagaikhoz, és pályájuk sokkal elnyúltabb ellipszis, mint a naprendszerbeli óriásbolygóké. A bolygórendszerek keletkezésére vonatkozó elméletet teljesen át kellett dolgozni ezen új megfigyelések hatására. Az exobolygó-kutatás gyorsan fejlődő területének része az exobolygók atmoszférájának esetleges kimutatása is. Kellemes meglepetés volt, amikor 2001. november 27-én a HST-vel sikerült detektálni a HD 209458 jelű csillag körül keringő bolygó atmoszféráját. A Naphoz hasonló csillag körül mindössze 3,5 napos periódussal keringő bolygó a csillag előtt is áthalad pálya menti mozgása során. Az átvonulások idején a színképben enyhén felerősödnek a nátrium vonalai, mivel a csillag fénye ilyenkor a bolygó atmoszféráján is áthalad. Ez a felfedezés már az asztrobiológia új és ígéretes tudományágához is kapcsolható. Az ESA Darwin missziója keretében nullázó interferometria alkalmazásával ózont, vizet és más közönséges molekulákat keresnek Föld típusú bolygók légkörében. A csillagok fizikája Egyetlen közvetlen módszer van a csillagok távolságának meghatározására, mégpedig a parallaxismérés, amelynek során a Föld Nap körüli keringése miatt bekövetkező szögelmozdulást kell meghatározni távoli háttércsillagokhoz és kvazárokhoz viszonyítva. A klasszikus asztrometriához tartozó ilyen mérés az 1980-as évek végéig fáradságos és meglehetősen népszerűtlen tevékenység volt. Ám az ESA 1989-1993 között működött Hipparcos űrszondájának köszönhetően az asztrometria új és elképesztően biztos alapokra került. A pontos észlelések fontosságának egyik leglátványosabb példája a közeli csillagok Hertzsprung-Russelldiagramjának (vagy az azzal egyenértékű hőmérséklet-luminozitás diagram) meghatározása. Ezek az alapvető csillagászati adatok képezik azt a fundamentumot, amelyen az egész asztrofizika és kozmológia nyugszik. A Hipparcos sikerén felbátorodva az asztrometriával foglalkozók egy új generációs asztrometriai űrmisszióra, az ESA által végrehajtandó Gaia küldetésre vonatkozó elképzelést dolgoztak ki. Már ismert, hogy miként lehet három nagyságrenddel fokozni az asztrometriai pontosságot a Hipparcos teljesítményéhez képest, és ez a pontosság a Hipparcos-katalógusbelieknél sokkal halványabb csillagok esetében is elérhető. A Gaia mérési programjában egymilliárd csillag szerepel majd, és még a Tejútrendszer centrumának környékén található, azaz tőlünk messze levő csillagok távolságát is 10% pontosan lehet majd meghatározni. Ráadásul a távolságokon túlmenően a csillagok háromdimenziós kinematikáját is ki lehet majd mérni saját galaxisunk jelentős részében, és ezekből a megfigyelési adatokból részletesen nyomon követhetővé válik a tejútrendszerbeli sötét anyag eloszlása is. A Nap fizikájának megértésében forradalmi változásokat hozott a helioszeizmológia megszületése. E diszciplína keretében a Nap felszíni rétegeiben megfigyelhető oszcillációk által tanulmányozhatók a csillag belsejének rezgései is, ahogyan a földi szeizmológiában bolygónk különböző mélységű rétegeit lehet szondázni a különféle hullámmódusokkal. A Nap esetében a rezgési módusok amplitúdója és frekvenciája alapján csillagunk egész belseje feltárható. Az alacsony rendű, gravitációs eredetű módusok különösen fontosak, mivel a Nap centrális vidékeiről közvetítenek információt, ahol a hidrogén magfúzió során héliummá alakul. A SOHO űrszondával végzett megfigyelésekből pedig figyelemre méltó pontossággal fel lehetett térképezni a Nap belsejében végbemenő rotáció jellegét is. Ugyanezen küldetés egyik fontos eredményeként meghatározták a Nap centrumának hőmérsékletét, amely mindössze 1%-kal bizonyult kisebbnek a standard Nap-modellben számított értéknél. Ezek kulcsfontosságú eredmények a Napból származó neutrínók számában tapasztalt ellentmondás feloldásához. A Nap belsejében zajló nukleáris folyamatokban az elméleti számítások szerint keletkező neutrínók számához képest ugyanis jóval kevesebb neutrínót észlelnek. Más típusú csillagok viselkedését csak akkor érthetjük meg igazán, ha sikerül ilyen asztroszeizmológiai megfigyeléseket végezni közeli képviselőikről. A hozzánk közel levő csillagok belsejének számos globális jellemzője szerény méretű űrtávcsővel is meghatározható. Az ESA Eddington küldetését ilyen célra tervezték.3 Fekete lyukak Ahhoz, hogy fekete lyuk képződjön, egy gravitációsan kötött rendszerben gravitációs összeomlásnak kell bekövetkeznie. A fekete lyukak létének legfontosabb bizonyítékai azok a röntgensugárzó kettőscsillagok, amelyekben az egyik komponens tömege 10 naptömeg körüli. Saját galaxisunkban már sok olyan röntgenkettőst találtak, amelyben a láthatatlan, kompakt röntgenforrás tömege meghaladja a 3 naptömeget, és a végállapotában ilyen nagy tömegű objektum már nem lehet stabil neutroncsillag. Az ilyen csillagtömegű fekete lyukat tartalmazó kettős rendszerek röntgenszínképe és változásai egyaránt jellegzetesek, és több tekintetben is az aktív galaxismagokéra hasonlítanak. Lényegében az a helyzet, hogy ha egy közeli extragalaxis központjának környékét alaposan megvizsgálják, egy nagy tömegű objektumot találnak ott a csillagászok, amiből szinte természetesen az következik, hogy minden galaxis magja tartalmaz fekete lyukat. A közelmúlt egyik legizgalmasabb felfedezése a Tejútrendszer centrumában megbúvó fekete lyuk kimutatása és tulajdonságainak meghatározása volt. A fekete lyuk körül keringő csillagok pályáját infravörös hullámhosszakon rendkívül pontosan megfigyelve megbizonyosodhattunk arról, hogy saját galaxisunk közepén is van fekete lyuk, amelynek tömege a Nap tömegének kétmilliószorosa.4 A fekete lyuk kritikus sugarának, az eseményhorizontnak a tízszeresén belül még röntgenkitöréseket is észleltek. Az aktív galaxisokban levő fekete lyukak tanulmányozásának egészen új módját kínálják a röntgenspektroszkópiai megfigyelések. Az új vizsgálati lehetőség az aktív magú és a röntgentartományban erősen sugárzó Seyfert-galaxisok színképében észlelhető fluoreszcens vasvonalak felfedezésével kezdődött. A fluoreszcens vonalak akkor keletkeznek, amikor a nagy energiájú röntgensugarak a kissé alacsonyabb hőmérsékletű anyagcsomókba csapódnak. A fluoreszcens vonalak valószínűleg a fekete lyukat körülvevő tömegbefogási korongban alakulnak ki. A jelenség ilyen magyarázata esetén lényeges, hogy a színképvonalak abban a mély potenciálgödörben keletkeznek, amelyben a befogási korong nagyon sebesen forog a fekete lyuk körül. A modell helyességének igazolására a legjobb példa az MCG-6-30-15 jelű Seyfert-1 típusú galaxis színképében a 6,4 keV energiájú fluoreszcens vonal aszimmetrikus kiszélesedésének megfigyelése. A figyelemre méltó észlelésben az a fontos, hogy a színképvonal 6,7 keV energia fölött hirtelen levág, míg a kisebb energiák felé 4 keV-ig is követhető a vonal. Ilyen jellegű aszimmetria természetes módon abban az esetben alakul ki, ha az akkréciós korong befelé egészen a fekete lyuk körüli legkisebb átmérőjű stabil pályáig terjed. Az ilyen típusú megfigyelés a legközvetlenebb bizonyíték arra vonatkozóan, hogy az emisszió egy nagy tömegű fekete lyuk körül csaknem a legbelső stabil pályán keringő anyagban keletkezik. Ilyesféle röntgenspektroszkópiai észleléseket végeznek majd - a jelenlegieknél sokkal nagyobb érzékenységgel - a következő generációs XEUS (ESA) és Constellation-X (NASA) űrszondák műszereivel. Galaxisok keletkezése és fejlődése A kozmológia egyik leggyorsabban fejlődő területe annak kutatása, hogy miként alakultak ki és fejlődnek a galaxisok és az Univerzum nagyobb léptékű képződményei. A galaxisok azok a téglák, amelyekből a nagy léptékű struktúrák felépülnek. A legnagyobb léptéket tekintve a galaxisok eloszlása szivacsra emlékeztet, hatalmas, összefüggő lyukakkal, űrökkel, a „szivacs” anyagát pedig maguk a galaxisok jelentik. A galaxisok eloszlásában tapasztalható lyukak jellemző mérete a galaxishalmazok átmérőjének 50-szeresét is elérheti. Ugyanakkor azt is tudjuk, hogy nagyon egyenletesen oszlott el az az anyag, amelyből ezek a struktúrák képződtek. A kozmikus háttérsugárzásnak a Cosmic Background Explorer (COBE) műszereivel a milliméteres-centiméteres hullámhosszakon felvett térképe nagy szögskálákon egy százezrednyire homogén. Az Univerzum legalábbis ennyire homogén volt, amikor a kiterjedése a jelenleginek ezredrésze volt, azaz nagyjából 300 000 évvel az ősrobbanás után. A kozmológia egyik nagy feladata az, hogy megmagyarázza, hogyan alakultak ki a Világegyetemben ma megfigyelhető struktúrák a korai Univerzum rendkívül egyenletes eloszlású anyagából és sugárzási terében. Kiderült, hogy a termális és dinamikai fejlődést alakító fizikai folyamatokat az Univerzum létének első másodpercétől a 300 000 évvel később bekövetkezett rekombinációig pontosan és részletekbe menően meg lehet állapítani. Hasonló módon elég megbízhatóan kiszámítható a kozmikus struktúrák kialakulását előidéző enyhe sűrűségingadozások fodrozódásának a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra gyakorolt hatása is. E vizsgálatok legfontosabb eredményei közé tartozik az a tény, hogy bár a gravitációs kollapszus rendkívül hatékonyan elvezet a nagyobb átlagsűrűségű képződmények, például galaxisok, galaxishalmazok létrejöttéhez, a sűrűségingadozások növekedési üteme elképesztően lassú. Ahhoz, hogy az Univerzumban a ma észlelhető struktúrák kialakuljanak, fel kell tételezni, hogy különféle zavarok, fodrozódások már az egészen fiatal Univerzumban is jelen voltak. A korai Univerzum állapotára vonatkozó elméleti kutatások egyik célja az, hogy kiszámítsák, milyeneknek kellett lenniük a kezdeti fluktuációknak. Ily módon az Univerzum mai állapotából következtetnek a Világegyetem kezdeti fizikai állapotára, amelyre olyan nagy energiás jelenségek voltak jellemzőek, amilyeneket a legnagyobb földi részecskegyorsítókban sem tudnak utánozni. Napjaink számítástechnikájának egyik legnagyobb diadala, hogy meggyőző numerikus szimulációkat hajtottak végre az Univerzum nagy léptékű szerkezetének kialakulására vonatkozóan, amelyeket a legkülönfélébb megfigyelési tények is alátámasztanak. A szimulációhoz alapvető a kozmológiai modell megválasztása, amelyet a hideg sötét anyag W0 és a sötét energia Wl sűrűségparaméterével lehet számszerűen jellemezni. A sötét energiát, hideg sötét anyagot és a közönséges barionos anyagot is figyelembe vevő legújabb szimulációk figyelemre méltó pontossággal adnak számot a galaxisok gázt, csillagokat és sötét anyagot tartalmazó komponenseiről. Az obszervációs kozmológia terén nagy előrelépést jelentett, hogy ezen adatok alapján számos kozmológiai paramétert sikerült meghatározni. Az ősrobbanás után 300 000 évvel a sűrűségbeli egyenlőtlenségek hőmérséklet- perturbációkat okoztak, mégpedig részben a gravitációs vöröseltolódás hatására, részben a barionos anyag adiabatikus összenyomásával, valamint a zavar miatt beindult kollapszus során fellépett Doppler-eltolódás hatására. A modellekből az az általános következtetés vonható le, hogy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban megfigyelt fodrozódások teljesítményszínképében 0,1-1°-os szögskálán jól kivehető maximumok jelentkeznek. Ezek mintha merev rudak lennének, az Univerzum görbületének mérésére használhatók, továbbá a sötét és barionos anyag jelenlegi mennyiségének megállapítására is szolgálnak. A teljesítmény-színképbeli csúcsokat földfelszíni mérések alapján fedezték fel, de a leglátványosabban a NASA Wilkinson–MAP szondáján elhelyezett műszerekkel mért adatok alapján látszanak. Ráadásul felismerve azt, hogy az Ia típusú szupernóvák standard gyertyákként viselkedve remek távolságindikátorok, lehetővé vált az alapvető kozmológiai paraméterek értékének a korábbiaktól független megállapítása is. A szupernóvákon alapuló eredményeket a galaxisok eloszlásával és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás fodrozódásai alapján számítottakkal egybevetve látványos az egyezés. Az eredmények azonban furcsa Univerzumra utalnak, amelynek geometriája sík, teljes energiájának 70%-át a sötét energia képviseli, a sötét anyag aránya 25%, míg a közönséges barionos anyag a teljes tömegnek csupán 5%-át teszi ki. A következő évtizedek egyik legnagyobb kihívása ezen eredmény alátámasztása és pontosítása a lehető legnagyobb statisztikai minta alapján, valamint részletesen ki kell dolgozni, hogy milyen fizikai körülmények vezettek az Univerzum ilyen különlegessé válásához. Az Univerzum fiatal korában végbement fizikai folyamatokkal kapcsolatos meggondolások akár újabb típusú elemi részecskék felfedezéséhez is vezethetnek a CERN-ben működő Nagy Hadronütköztető (LHC) segítségével.5 Ami a kozmikus háttérsugárzást illeti, az ESA Planck küldetése az eddigieknél alaposabb bepillantást enged a kérdések tisztázása érdekében.6 A csillagászat új ágai Bizton állíthatjuk, hogy a csillagászat eddig ismertetett területein túl a XXI. században újabb típusú kutatások is bekerülnek az asztrofizikusoknak és a kozmológusoknak az Univerzum kutatására használt fegyvertárába. Íme néhány példa ilyenekre: • A gravitációs hullámok csillagászata lassan ténylegesen is megszületik. A PSR 1913+16 kettős pulzár keringési ideje éppen abban az ütemben csökken, ahogyan egy neutroncsillagokból álló kettős által gravitációs hullámok formájában történő energiavesztés alapján számítható. Ez azonban egészen más, mint a gravitációs hullámok közvetlen észlelése lenne. A gravitációs hullámok olyan parányi mértékben rángatják a téridőt, hogy kimutatásuk az észlelési technika nagy kihívása. Több nagy projekt is éppen ezt tűzte célul: a LIGO (USA), a VIRGO (francia-olasz) és a GEO 600 (német-angol) kísérletek. E nagy obszervatóriumok segítségével reális az esély a rendkívüli kozmikus események során kibocsátott gravitációs hullámok detektálására. Ilyen hullámok alakulhatnak ki például, amikor egy csillag fekete lyukká zuhan össze, vagy ha egy kompakt kettős két tagja egyesül; periodikus gravitációshullám- kibocsátás pedig a kompakt komponenst tartalmazó kettőscsillagok és a pulzárok esetében várható. Az imént felsorolt projektek űreszközökkel, nagyon hosszú alapvonalú interferometria segítségével próbálják detektálni a gravitációs hullámokat, csakúgy, mint az ESA LISA obszervatóriuma. • A neutrínócsillagászat ez idáig a Nap és az 1987. február 23-án a Nagy Magellán-felhőben felrobbant SN1987A szupernóva által kibocsátott neutrínók detektálására szorítkozott. Itt a más forrásokból érkező neutrínók észlelése a kihívás, mivel a neutrínófluxus nagyon kicsi, emiatt pedig nagy gyűjtőfelületre, illetve -térfogatra van szükség. A hatalmas térfogatú detektortömböket - amelyekben a lezajló neutrínó-kölcsönhatásokat figyelik meg - vagy az antarktiszi jégfelszín alá, vagy mélyen a tengerek vizébe telepítik. A nagyon költséges és igényes kísérleteknek csillagászati szempontból az a jelentősége, hogy a detektált neutrínók az Univerzum más módszerekkel elérhetetlen részeiről szolgálnak információval: a csillagok magjáról, a szupernóva- robbanáskor végbemenő kollapszus végső fázisáról stb. • Az asztro-részecskefizika olyan új típusú részecskéket keres az Univerzumban, amelyeket laboratóriumi körülmények között még nem találtak meg. A galaxisokban és galaxishalmazokban nagy mennyiségben jelen levő sötét anyag egyik lehetséges magyarázata ilyen új típusú, elméleti úton már megjósolt részecskék létezése. Ám a nagyenergiájú részecskefizikai kísérletek során még nem sikerült e részecskék nyomára bukkanni. Ilyen részecske lehet például valamilyen nagyobb tömegű neutrínó vagy a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske. Különféle föld alatti részecskefizikai kísérletekkel igyekeznek átlépni az ilyen részecskék kimutatásának határát, és lényeges, hogy az ez irányú kísérletek folytatódjanak. Konklúzió Ennek a rövid áttekintésnek világos az üzenete. Az elmúlt ötven évben forradalom zajlott a csillagászatban, az asztrofizikában és a kozmológiában, és ez az állapot tovább tart. A XXI. századi fejlődésre vonatkozó kilátások kitűnőek, de intellektuális és technológiai szempontból egyaránt nagy a kihívás. A csillagászok már most pontosan tudják, hogy mire is van szükségük az imént felvázolt haladáshoz, de műszaki szempontból elképesztően nagy előrelépés szükséges. Például olyan zseniális technológiákat kell sürgősen kifejleszteni, amelyekkel egy óriásprojekt költsége elfogadható szintre mérsékelhető. A legnagyratörőbb tervek valószínűleg világméretű összefogással valósulnak meg, a bennük részt venni kívánó valamenynyi ország közreműködésével. Már most ez a helyzet a gravitációs hullámok kimutatására irányuló kísérleteknél, illetve az olyan hatalmas létesítményeknél, mint az ALMA (Atacama Large Millimetre Array) teleszkóphálózata. Szimbiózis alakult ki a földfelszíni és az űrben működő csillagászati műszerekkel végzett tevékenység között is. Végezetül, az elméleti és számítási munkák sem maradhatnak le: lépést kell tartaniuk a jövőbeni észlelésekkel, amelyek számukat és minőségüket tekintve egyaránt nagyságrendekkel múlják felül a jelenlegi megfigyelési adatokét. Izgalmas idők következnek mindazok számára, akik most kezdenek csillagászattal foglalkozni. SZABADOS LÁSZLÓ fordítása Jegyzetek:
|
||||