Wszystkie fotony wyemitowane od momentu, gdy Wszechświat stał się przeźroczysty, wchodzą w skład tzw. pozagalaktycznego promieniowania tła. Kosmos jest wypełniony rozrzedzonym „gazem” fotonów rozchodzących się we wszystkich kierunkach, którego detekcja jest niezwykle trudna, jednak jego obserwacje są obecnie możliwe i mogą dostarczyć nam niezwykle cennych informacji na temat ewolucji Wszechświata.

Artykuł napisał Jan Bąk.

Wyobraźmy sobie, że jesteśmy przy narodzinach pierwszej gwiazdy we Wszechświecie. Ponieważ kosmos jest w dużej mierze pusty, światło wyemitowane przez tę gwiazdę rzadko napotyka przeszkody i rozchodzi się bez większych ograniczeń. Do promieniowania od pierwszej gwiazdy dochodzi wkrótce promieniowanie od kolejnych gwiazd i razem oświetlają one przestrzeń kosmiczną fotonami wędrującymi we wszystkich kierunkach. Ten świetlny „szum” pochodzi od każdej gwiazdy jaka kiedykolwiek świeciła. Jego cechy niosą też informację o procesach gwiazdotwórczych, które zaszły we Wszechświecie.

Każdemu punktowi w ciemnym pokoju oświetlonym kilkoma żarówkami możemy przypisać pewne natężenie przechodzącego przez niego światła. Jeśli tylko w pokoju nie ma obiektów tworzących cień, do każdego miejsca trafia część światła z każdej żarówki. Analogiczny efekt zachodzi również dla Wszechświata i gwiazd. Dochodzimy w ten sposób do ciekawego wniosku. Do każdego punktu przestrzeni kosmicznej trafia światło od prawie każdej gwiazdy jaka kiedykolwiek istniała. To rozproszone światło wypełniające przestrzeń kosmiczną nazywamy pozagalaktycznym promieniowaniem tła (ang. Extragalactic Background Light, EBL). Może dostarczyć nam ono niezwykle cennych informacji o ewolucji Wszechświata.

W skład EBL wchodzi całe światło wyemitowane od początku istnienia Wszechświata poza Mikrofalowym Promieniowaniem Tła. Nie zalicza się do niego promieniowania rentgenowskiego i γ (źródła promieniujące w tych długościach fali nie promieniują we wszystkich kierunkach).

Detekcja EBL jest niesłychanie trudnym zadaniem. Przestrzeń międzygalaktyczna jest ogromna przez co światło EBL jest niesłychanie słabe. Dodatkowo obserwacje zakłóca światło z naszej galaktyki przyćmiewające pozagalaktyczne tło. W związku z powyższymi trudnościami bezpośrednia detekcja EBL jest niemożliwa. Jednak możemy obserwować jego wpływ na dochodzące do nas światło nie wchodzące w skład EBL (na przykład promieniowanie γ).

Jak wiemy z lekcji fizyki, dwie krzyżujące się wiązki światła nie oddziaływają ze sobą. Gdy skrzyżujemy strumienie światła z dwóch latarek, ich jasność się nie zmieni. O ile jest to prawda dla światła widzialnego, nie jest to prawdą dla promieniowania γ. Gdy energia dwóch zderzających się fotonów jest wystarczająco duża, może dojść do tak zwanej kreacji par, czyli powstania par cząstka-antycząstka w wyniku zderzenia dwóch fotonów. Zatem obserwowane światło odległych źródeł promieniowania γ jest osłabione, gdyż część fotonów po drodze została utracona w skutek kreacji par po zderzeniu z fotonami EBL. Im wyższa energia fotonu γ tym z większym zakresem fotonów EBL może wejść on w interakcje, zatem zwiększa się szansa kreacji pary. Ilość traconego po drodze światła zależy też od poszukiwanego natężenia EBL.


Część promieniowania gamma z odległych obiektów zostanie utracona na kreacje par elektron pozyton podczas zderzeń z fotonami EBL.

By w taki sposób zmierzyć natężenie EBL, musimy wiedzieć, ile fotonów γ zostało w rzeczywistości wyemitowanych przez odległy obiekt. Pomocne w takich pomiarach okazują się aktywne jądra galaktyk. Są to obiekty złożone z supermasywnej czarnej dziury i opadającej na nią materii. Emitują one promieniowanie w postaci wysokoenergetycznej dżeta. Jeśli taki dżet jest zwrócony w naszym kierunku, obiekt taki nazywamy blazarem.

Charakterystyka widmowa energii blazara okazuje się mieć symetryczny kształt z dwoma pikami. Jednym z wyjaśnień tego efektu jest tak zwane zjawisko Comptona. Gdy wysokoenergetyczny foton γ zderza się z elektronem, część jego energii przekazywana jest elektronowi, na skutek czego maleje jego energia, a co za tym idzie rośnie długość fali związana z tym fotonem. Okazuje się, że elektrony w materii opadającej na aktywne jądro mają na tyle dużą energię, że może też zajść zjawisko odwrotne – zwiększenia energii fotonu kosztem energii elektronu, a co za tym idzie zmniejszenia długości jego fali. Oba te zjawiska powodują powstanie symetrycznych pagórków w widmie – część fotonów zostaje przyśpieszona, a część spowolniona.

Schemat przedstawiający zjawisko ComptonaJan Bąk

Schemat przedstawiający zjawisko Comptona

Co istotne im większa energia fotonu tym silniej jest on pochłaniany przez pozagalaktyczne światło tła. Zatem porównując dwa piki w widmie blazara możliwe jest oszacowanie wpływu EBL na obserwowane promieniowanie.

Wykres strumienia energii Blazara 1ES234+514 od częstotliwości wysyłanych fotonów.

Pierwsze pomiary wpływu EBL na obserwowane blazary zostały wykonane w 2013 r. Pozwoliły one na zweryfikowanie „bilansu świetlnego” Wszechświata. Co więcej otrzymano niezwykle potężne narzędzie badawcze. EBL może między innymi weryfikować konkurencyjne modele kształtowania galaktyk, dostarczyć danych na temat powstawania, ewolucji i zmiany ilości gwiazd we Wszechświecie. Dokładniejsze badania pozagalaktycznego światła tła mogą poinformować nas też, jak często występowały zasłonięte przez pył galaktyki. Informacje te są ważne dla zrozumienia procesów powstawania planet skalistych.

Pomiar głębokości optycznej EBL (parametru opisującego spadek natężenia światła przy przejściu przez ośrodek) od energii obserwowanego fotonu gamma. Czerwony obszar to przewidywana teoretycznie głębokość optyczna.

Na podstawie referatu „Całe światło Wszechświata” wygłoszonego 8.05.2016 r. na seminarium wiosennym Klubu Astronomicznego „Almukantarat”.

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu