Dzięki nowym danym z teleskopu GLAST, astrofizycy z NASA wykazali, że w naszej Galaktyce istnieje dziwna struktura o wielkości 50 000 lat świetlnych, widoczna w zakresie promieniowania gamma. Przyjmuje ona kształt dwóch bąbli, rozciągających się symetrycznie powyżej i poniżej płaszczyzny galaktycznego dysku. Dlaczego tak wielkiej struktury nie zaobserwowano wcześniej? I jaka stoi za nią fizyka?

Teleskop GLAST (Gamma Large Area Space Telescope), znany też jako Fermi, krąży na wysokości 560 km nad powierzchnią Ziemi i obserwuje niebo w zakresie częstości promieniowania gamma. Fotony gamma mają energie rzędu 10-100 gigaelektronowoltów (GeV) – dla porównania, światło widzialne ma energię ok. 2-3 eV, a więc miliard razy mniejszą. Dzięki obserwacji Wszechświata w zakresie promieniowania gamma, naukowcy mogą dowiedzieć się więcej na temat mechanizmów procesów astrofizycznych, które zachodzą przy bardzo wysokich energiach. Dane z teleskopu GLAST służą m.in. do badania aktywnych jąder galaktyk, błysków gamma, gwiazd neutronowych, ciemnej materii.

Przy pomocy Fermiego naukowcy mogą też badać naszą Galaktykę. Opublikowana niedawno praca grupy Douglasa Finkbeinera z NASA rzuca nowe światło na dziwną strukturę, przypominającą dwa gigantyczne bąble, ochrzczone od nazwy teleskopu „bąblami Fermiego” (Fermi bubbles). Ich pierwsze ślady widziano już w obserwacjach nieba w zakresie rentgenowskim i mikrofalowym, jednak dopiero najnowsze dane z teleskopu GLAST pozwoliły potwierdzić wcześniejsze przypuszczenia. Obserwacja była możliwa dzięki bardzo dokładnym pomiarom nieba z ostatnich dwóch lat oraz zastosowanej zaawansowanej obróbce danych.

Uzyskiwane w tego typu pomiarach „surowe” dane zawierają zwykle mnóstwo sygnałów, które pochodzą z różnych źródeł. W przypadku zakresu gamma, oprócz promieniowania pochodzącego od konkretnych obiektów fizycznych, mamy do czynienia także z promieniowaniem rozproszonym na cząsteczkach międzygwiezdnego gazu, które tworzy tło, działające jak silny szum. Dane wymagają więc specjalnej obróbki numerycznej. W tym przypadku, naukowcy najpierw obraz wygładzili, aby usunąć źródła o średnicach mniejszych niż 2 stopnie, następnie zwiększono kontrast i nałożono maski na bardzo intensywne źródła punktowe (jak pulsary czy odległe galaktyki). Na końcu usunięto promieniowanie rozproszone. Aby wykluczyć fakt, że zaobserwowane bąble mogą być efektem tylko i wyłącznie obróbki danych, a nie rzeczywistym zjawiskiem fizycznym, zastosowano niezależnie trzy różne procedury odejmowania tła. W rezultacie każdej z nich otrzymano taki sam wynik.

Dane z teleskopu Fermi, poddane obróbce w celu wyeliminowania promieniowania rozproszonego, wyraźnie pokazują istnienie dwóch bąbli. Promieniowanie bąbli ma znacznie większą energię niż promieniowanie tła. Wyraźna granica bąbli oraz jednorodność emisji sugerują, że powstały one wskutek gwałtownego zdarzenia.

To, co ukazało się po obróbce danych, przerosło najśmielsze oczekiwania naukowców: obraz, jaki mieli z poprzednich badań, okazał się zaledwie ułamkiem całkowitej struktury. Teraz wiadomo, że tworzą ją gigantyczne bąble, emitujące promieniowanie gamma. Rozciągają się one symetrycznie powyżej i poniżej płaszczyzny Galaktyki, wydłużone w kierunku do niej prostopadłym, a każdy z nich ma długość ok. 25 000 lat świetlnych (ok. 50 stopni łuku). Ich charakterystyczną cechą jest ściśle określona, niemal skokowa granica oraz promieniowanie o jednakowym widmie, jednorodne w całej objętości. Wiek struktury jest szacowany na kilka milionów lat.

Nie ma jednoznacznego rozstrzygnięcia w kwestii fizyki, która dzieje się w bąblach. Emisja promieniowania gamma w bąblach prawdopodobnie jest efektem odwrotnego rozpraszania Comptona. W zjawisku tym padający foton zderza się z elektronem o dużej prędkości, w wyniku czego rozproszony foton zabiera część energii, a zatem ma wyższą częstotliwość niż przed zderzeniem. Naukowcy sugerują, że bąble to obszary o gęstości mniejszej niż otaczający je gaz międzygwiezdny, co potwierdzają obserwacje rentgenowskie; to tłumaczyłoby też obserwowany kształt struktury. Panuje w nim jednak o wiele większe ciśnienie, dzięki czemu można obserwować odwrotny efekt Comptona.

Skąd w naszej Galaktyce tak dziwny twór? Symetria bąbli sugeruje, że ich źródłem było zjawisko w centrum Galaktyki. Naukowcy proponują kilka alternatywnych mechanizmów: wzmożona aktywność czarnej dziury z centrum Galaktyki, gwałtowne procesy formowania się gwiazd (kilka wariantów o różnym przebiegu) ze współdziałaniem galaktycznego wiatru, czy też osobliwe zachowanie pola magnetycznego. Jednak nie ma jeszcze dowodów, aby rozstrzygnąć, który z nich jest prawdziwy. Nie jest również przesądzone, że za powstanie bąbli i za emisję w nich promieniowania jest odpowiedzialny ten sam mechanizm – fotony o obserwowanych właściwościach mogą powstawać dzięki „wstrzykiwaniu” elektronów z dysku i ich dyfuzji czy też częstym zjawiskom rekoneksji magnetycznej; swój udział mogą mieć nawet procesy anihilacji ciemnej materii.

Wszystko wskazuje więc na to, że odkrycie bąbli przynosi więcej pytań niż odpowiedzi, a wyjaśnienie obserwacji będzie wymagało wejścia na niezbadane do tej pory obszary astrofizyki. Pokazuje też, jak wielkie znaczenie ma budowanie coraz dokładniejszych urządzeń pomiarowych: zbyt mała rozdzielczość i za proste techniki analizy danych sprawiają, że nie jesteśmy świadomi istnienia tak wielkich i dziwnych struktur, jak właśnie bąble Fermiego.

Autor

Teresa Kubacka

Komentarze

  1. szpieg z krainy deszczowców    

    Droga Mleczna nie taka spokojna? — Pierwsze skojarzenie – dżety aktywnych galaktyk. Takie bąble może stworzyć pole magnetyczne z tego, co nie zostanie wyrzucone z za dużą prędkością z centrum galaktyki. Ale wiek szacowany na kilka milionów lat?! To nie pasuje – jeśli czarna dziura w jądrze Drogi Mlecznej była zdolna do takiej emisji kilka milionów lat temu, to co my tu robimy?

    1. grotifarys    

      Jak to co ? Czytamy astronews — A od ilu lat istniejemy, wiecej niż 5 milionów ?

      1. szpieg z krainy deszczowców    

        ?? — Jako gatunek, jako hominidy czy ogólnie – jako zaawansowane formy życia? Wydaje mi się, że gdyby nasz mały Układ Słoneczny krążył wokół %2Akwazara%2A, to żyłoby się tu %2Atrochę%2A trudniej… To pewnie była znacznie słabsza forma aktywności.

        1. Andrzej Karoń    

          Życie było, jest i będzie “skąpane” w prom. jonizującym

          > Jako gatunek, jako hominidy czy ogólnie – jako zaawansowane formy
          > życia? Wydaje mi się, że gdyby nasz mały Układ Słoneczny krążył
          > wokół %2Akwazara%2A, to żyłoby się tu %2Atrochę%2A trudniej… To
          > pewnie była znacznie słabsza forma aktywności.

          Dżety kwazarów są skierowane ku osi biegunów galaktyki, więc gros promieniowania jest daleko od dysku tejże aktywnej galaktyki, gdzie znajdują się gwiazdy i potencjalne zamieszkałe planety wokół nich.
          Z pewnością może jakiś wpływ byłby od promieniowania synchrotronowego z dżetu, ale zarówno korpuskularne cząstki z kosmosu, jak i fotony X i gamma zatrzymują w znacznym stopniu już gęstsze warstwy atmosfer takich planet.

          A poza tym…

          …kiedy życie na Ziemi powstawało przypuszczalnie ok. 3,5 mld lat temu, w ich siedliskach naturalnie występujące izotopy promieniotwórcze były wówczas bardziej rozpowszechnione i miały większą aktywność niż dziś.
          Część z tych izotopów do dziś występuje – ze względu na swe długie czasy połowicznego rozpadu, sięgające od setek milionów lat (np. U-235), do miliardów lat (np. U-238, K-40).

          Naukowcy szacują, że promieniowanie z podłoża, było więc wtedy 3-6 razy WYŻSZE niż obecnie – a jednak fakt ten życiu nie przeszkodził się wówczas rozwijać.

          Teraz będzie taka mała dygresja, która na “pierwszy rzut oka” wydawać się będzie niezwiązana z promieniowaniem jonizującym, ale będzie potrzebna.

          O wiele poważniejszym problemem dla ówczesnego beztlenowego życia okazał się rozwój sinic, które zaczęły produkować masowo tlen zmieniający m.in. skład pierwotnej atmosfery. Zarówno obecność tlenu, jak i coraz większy deficyt dotychczasowych form pożywienia spowodował liczne wymieranie beztlenowców.
          Za sprawą ewolucji, pojawiły się ORGANIZMY TLENOWE. Wykorzystanie tlenu w metabolizmie okazało się jednak zarówno “zbawieniem” i “przekleństwem”:

          + dzięki oddychaniu tlenowemu m.in. wzrosła kilkunastokrotnie wydajność produkcji organicznego związku chemicznego ATP (ważny w procesach metabolicznych komórki)

          – jednocześnie podczas metabolizmu w komórce pojawia się ogromna ilość OKSYDANTÓW i WOLNYCH RODNIKÓW, niszczących nawet jej strukturę!

          Gdyby życie nie stworzyło naturalnych mechanizmów naprawiających szkody po oksydantach, lub w pewnym stopniu je po prostu neutralizujące (antyoksydanty) – NIE MOGŁOBY INACZEJ PRZETRWAĆ!

          Jak wydajne są te mechanizmy?!

          Badania naukowe wykazały, że w przypadku człowieka:

          LICZBA USZKODZEŃ PRZEZ
          WOLNE RODNIKI+OKSYDANTY
          NA 1 KOMÓRKĘ DZIENNIE
          =
          1,000,000,000

          włącza się wtedy układ zapobiegawczy
          (antyutleniacze, GSH, SOD itp.)

          zostaje jednak

          WSZYSTKICH USZKODZEŃ W DNA
          =
          1,000,000

          włącza się wtedy mechanizm reperacji
          (enzymy, sterowanie cyklem komórkowym)

          dzięki nim z tego miliona, zostaje po tym:

          POZOSTAŁE USZKODZENIA
          =
          100

          usuwanie złych komórek, gdy uszk. są nienaprawialne,
          (apoptoza, nekroza)

          ewentualnie

          MUTACJE
          =
          1

          (ta 1 mutacja może, ale nie musi przekształcić się w rak)

          A jakie uszkodzenia powoduje promieniowanie jonizujące?

          W książce G.Charpaka, R.L.Garwina, “Błędne ogniki i grzyby atomowe”, Warszawa, Wyd. NT, pisze na str.161:

          “(…)1000 mili Sv w jednej krótkiej dawce napromieniowania wytwarza 1000 uszkodzeń jednej nici oraz 40 uszkodzeń obu nici DNA tej samej komórki.(…)”

          Dawka pochłonięta 1000 mili Sv, czyli 1 Sv, to bardzo wysoka dawka, szczególnie zaaplikowana bardzo szybko – takie i większe dawki otrzymywali w krótkim czasie mieszkańcy Hiroszimy i Nagasaki.

          Jedynym mechanizmem w Naturze, mogącym powodować podobne “bombardowanie” tak wysokim dawkami promieniowania jonizującego w krótkim czasie, byłby tylko pobliski wybuch Supernowej – co na szczęście zdarza się niezbyt często w galaktyce, a jeszcze rzadziej w okolicach jakieś konkretnej gwiazdy z zamieszkałą planetą/ami.

          Choć w przypadku nawet tak dużych dawek występuje, duża mniejsza ilość uszkodzeń jednoniciowych DNA, w porównaniu z normalną działalnością “oksydantów”, to występująca w tym przypadku większa ilość groźniejszych uszkodzeń dwuniciowych DNA (próba naprawy jest mniej skuteczna, ryzyko błędów w rekonstrukcji kodu)- a zatem następuje wtedy najczęściej apoptoza (śmierć) komórki, bądź może dojść do jej zmutowania w komórkę rakową…

          Natomiast organizmom żywym “jest obojętne”, czy naprawiają uszkodzenia powstałe przez oksydanty czy promieniowanie jonizujące – więc w przypadku mniejszych dawek (do ok. 0,1 Sv), skuteczność napraw jest bardzo wysoka.

          Badania radiobiologów wykazały, że skuteczność ta jest największa przy dawce pochłoniętej jednorazowo ok. 100 mili Sv (~0,1 Sv), ale nieco powyżej tej wartości skuteczność mechanizmów naprawczych spada.
          Powyżej dawki pochłoniętej jednorazowo 200 mili Sv (0,2 Sv) mechanizmy naprawcze są już coraz mniej skuteczne, zaś powyżej 500-600 mSv pochłoniętych jednorazowo (>0,5-0,6 Sv) mechanizmy naprawcze są już nieskuteczne i następuje wtedy zwykle apoptoza komórki.

          Na poniższym rys. pokazany jest wykres przedstawiający wyżej wymienione zależności dawka-skutek.

          Podana na wykresie jednostka jest w Grejach (Gy), oznaczającą “dawkę pochłoniętą” (1Gy=1J/1kg), ale w przypadku fotonów gamma odpowiada ona w zasadzie “dawce równoważnej” w Siwertach (Sv).

          http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/matedu/hormeza_pliki/fig5.gif

          Inaczej dzieje się, gdy pochłania się nawet bardzo wysokie dawki, ale ROZŁOŻONE W CZASIE, a nie JEDNORAZOWO – wówczas to mechanizmy obronne komórek mają więcej czasu na naprawę i jest ona skuteczniejsza.

          Podam poniżej porównanie za publikacją dr Howe G.R., o dość długim tytule: “Lung cancer mortality between 1950 and 1987 after exposure to fractionated moderate-dose-rate ionizing radiation in the Canadian fluoroscopy cohort study and a comparison with lung cancer mortality in the Atomic Bomb survivors study.”

          Uczony porównał dane dostarczone np. przez Instytut ABCC/RERF w Hiroszimie, dotyczących ofiar ataków jądrowych (przypominam: DUŻE DAWKI W KRÓTKIM CZASIE), z pacjentami naświetlanymi SUMARYCZNIE TAKIMI SAMYMI DAWKAMI – ALE ETAPOWO.

          Za punkt odniesienia przyjęto względne ryzyko zgonu na raka (Standardized Mortality Ratio – SMR), gdzie przyjęto za jednostkę porównawczą w Grupie 1: 1,00 SMR

          Grupa 1 – 0,01-0,49 Sv: 1,00 [ABS]; 1,00 [RTG]
          Grupa 2 – 0,50-0,99 Sv: 1,26 [ABS]; 0,87 [RTG]
          Grupa 3 – 1,00-1,99 Sv: 1,45 [ABS]; 0,82 [RTG]
          Grupa 4 – 2,00-2,99 Sv: 1,93 [ABS]; 0,94 [RTG]
          Grupa 5 i 6 – >3,00 Sv: 2,65 [ABS]; 1,09 [RTG]

          Gdzie:
          ABS – Atomic Bomb Surveyors
          RTG – osoby naświetlane fluoroskopowo

          O tym, jak DUŻY MARGINES BEZPIECZEŃSTWA mają organizmy, świadczy to, że np.Polacy rocznie z naturalnych radioźródeł z gleby i kosmosu pochłaniają średnio:

          2,4 mili Sv/rok (0,0024 Sv/rok), albo

          0,27 mikro Sv/h (0,00000027 Sv/h), albo

          76 piko Sv/sek. (0,000000000076 Sv/sek.)

          tymczasem mechanizmy obronne naszych organizmów są skuteczne nawet dla dawek duuuuuuuuużo wyższych, od tych kilkudziesięciu piko Sv, pochłanianych “na bieżąco”.

          Dlatego więc życie NIE WYKSZTAŁCIŁO RECEPTORÓW promieniowania jonizującego, gdyby od jego wpływu zależało “być, albo nie być” dla organizmu żywego, miałby takie receptory.
          Organizmy żywe wykształciły receptory pozwalające wykryć w porę faktycznie zagrażające czynniki, a później powstałe organizmy wielkokomórkowe także i wyspecjalizowane narządy do tego celu.

          Wzrok i słuch naszych przodków, pozwalał w terenie w porę zobaczyć i usłyszeć skradającego się drapieżnika; smak pozwalał sprawdzić czy potrawa jest nieświeża bądź trująca; węch wyczuwający zapach dymu w porę ostrzegał przed pożarem; termoreceptory w skórze pozwalają wyczuć czy temperatura otoczenia nie jest za wysoka lub za niska…

          …te wszystkie zmysły decydują o naszym przeżyciu, a skoro naturalne występujące promieniowanie jonizujące nie stanowi dla organizmów żywych takiego realnego zagrożenia, jak np. pożarcie przez drapieżnika – więc receptory tegoż nie są nam potrzebne.

          Dopiero na przełomie XIX-XX wieku, dzięki zdobyczom nauki, ludzie mogli naocznie zobaczyć promieniowanie jonizujące, pośrednio na kliszach RTG, a bezpośrednio dzięki Komorze Wilsona…

          Na poniższym filmiku YouTube pokazany jest w czasie rzeczywistym ślady różnego rodzaju promieniowania jonizującego:

          http://www.youtube.com/watch?v=eN2gWadCRas

          Jak widać “bombarduje” nas tak naprawdę niemało cząstek!

          Na koniec polecam jeszcze jeden – tym razem dłuższy – film, pt.:

          Wykład Pana prof. dr hab. Ludwika Dobrzyńskiego:
          “PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE I RYZYKO Z NIM ZWIĄZANE”
          (Transmisja internetowa: 55’26”)

          http://www.wo.amu.edu.pl/wyklady_filmy.php?film=47

          _______________________________________________________

          P.S. Życie, życiem, ale niestety skostniałe praktyki biurokratyczne, wciąż uważają za “jedyną słuszną” hipotezę LNT (która najogólniej mówi, że każda dawka ponad wybraną “normę” szkodzi).
          Skutkiem tych praktyk jest to, że niekiedy bywa, iż na nadmierną ochronę radiologiczną TAM GDZIE AŻ TAK KONIECZNIE WYSOKA NIE JEST POTRZEBNA, idzie fura pieniędzy – które mogłyby się przydać w innych dziedzinach gospodarki.
          Oczywiście są też dziedziny wymagające BEZAPELACYJNE solidnych ochron: np.energetyka jądrowa, silnie aktywne radioźródła medyczne itp.
          Ale z drugiej strony na przykład po co w pracowni akceleratora medycznego instalować specjalistyczne, drogie pancerne drzwi z napędem elektrycznym za 150000 zł, ale ZACHOWUJĄC TE SAME LIMITY zupełnie wystarczą standardowe drzwi za 5000 zł.

          Pośrednim skutkiem LNT, jest też rozpowszechniona w społeczeństwach “radiofobia” (problem nie tylko naszego), ale skuteczną radą na to jest edukacja w tych dziedzinach – przecież w końcu wiedząc, że korzystając z prześwietlenia RTG iż daje nam ono więcej korzyści związanych z diagnostyką, zupełnie nie myślimy przy tym że przecież to jest… promieniowanie jonizujące!

Komentarze są zablokowane.