Słońce wzejdzie jutro tak samo jak wczoraj. Za miesiąc Księżyc będzie znów w tej samej fazie. Za rok zobaczymy na niebie te same, ani na jotę nieodmienione gwiazdozbiory. Powtarzalność, przewidywalność, stateczność – któż by kwestionował te dla wszystkich tak oczywiste przymioty kosmosu? Niestety, to tylko maska. Założona jakby specjalnie dla nas, którzy wyewoluowanymi w podsłonecznym inkubatorze zmysłami ogarniamy tylko mikroskopijny fragment kosmicznej rzeczywistości, a ze swoim kilkudziesięcioletnim żywotem jesteśmy wśród gwiazd nieporównanie bardziej nietrwali niż jętki na naszej planecie.
Groźne promieniowanie
Nasz jedyny naturalny łącznik z kosmosem to światło widzialne – wąziutki wycinek widma fal elektromagnetycznych, ciągnącego się od długich fal radiowych po twarde promieniowanie gamma (foton gamma może nieść tyle energii co piłka tenisowa uderzona rakietą mistrza). Gdyby całe widmo ścisnąć do odbieranego przez typowe radio FM zakresu 87,5–108 MHz, na światło przypadłoby pasmo, które na dziesięciocentymetrowej skali zajęłoby mniej więcej jedną dziesięciomiliardową milimetra. Skazani na wieczne słuchanie jednej stacji, nie mielibyśmy pojęcia, że świat oglądany (a raczej osłuchiwany) w innym paśmie wygląda zupełnie inaczej.
Przestrójmy się zatem na promienie gamma. Niejeden z nas miał okazję się z nimi zetknąć – te o stosunkowo niskich energiach są jednym z produktów rozpadu izotopów promieniotwórczych i znajdują zastosowanie w medycynie (radiodiagnostyka, radioterapia) oraz przemyśle technicznym (defektoskopia) i spożywczym (sterylizacja żywności poprzez napromieniowywanie). Te o największych energiach pochodzą jednak wyłącznie z kosmosu. Powstają w oddziaływaniach, w których biegnące prawie tak szybko jak światło cząstki elementarne zostają zmuszone do zmiany prędkości lub kierunku ruchu. Są groźne dla życia, ale przed ich szkodliwym wpływem chroni nas atmosfera: tylko nieliczne docierają niżej niż 10 km nad powierzchnię Ziemi. Chcąc je badać w pierwotnym stanie, musimy posługiwać się detektorami umieszczonymi na pokładach satelitów.
Takie badania rozpoczęły się prawie dokładnie pół wieku temu. Szybko dowiodły, że w zakresie gamma pozorny spokój kosmosu całkowicie znika. Otrzymaliśmy informacje o materii znajdującej się w prawdziwie ekstremalnych warunkach, jakich na Ziemi zapewne nigdy nie będzie można odtworzyć. Gęstość większa od gęstości jądra atomowego, temperatura biliona stopni, grawitacja setki miliardów razy silniejsza od ziemskiej i pole magnetyczne tyleż razy silniejsze od wytwarzanego w popularnym rezonansie diagnostycznym są nieosiągalne w laboratoriach, ale w świecie gwiazd i galaktyk są niemal chlebem powszednim.
Mapa martwych gwiazd
Pod koniec września NASA udostępniła mapę nieba oglądanego w promieniach gamma. Sporządzono ją na podstawie danych zebranych w ciągu ostatnich dwóch lat przez najdokładniejszy i najczulszy przyrząd, jaki kiedykolwiek pracował w tym zakresie widmowym – kosmiczny teleskop Fermiego. Jego nazwa upamiętnia Enrico Fermiego, jednego z największych fizyków XX w., laureata Nagrody Nobla i budowniczego pierwszego reaktora jądrowego. O wyborze Fermiego na patrona teleskopu gamma przesądziły jego teoretyczne prace poświęcone rozpędzaniu naładowanych cząstek w warunkach spotykanych tylko w kosmosie.
Pokazana obok mapa jest zorientowana w taki sposób, że wzdłuż równika (czyli dłuższej osi elipsy) biegnie Droga Mleczna, zaś jej środek pokrywa się z obszarem, na którym w świetle widzialnym widnieje gwiazdozbiór Strzelca. W kierunku wyznaczonym przez tę konstelację, w odległości 25 tys. lat świetlnych od nas, znajduje się centrum Galaktyki – dysku o średnicy około 100 tys. lat świetlnych, zbudowanego z gwiazd i gazowo-pyłowych obłoków materii międzygwiazdowej. Równikowy jasny pas to obłoki pobudzone do świecenia w zakresie gamma przez szybkie cząstki elementarne. Przesuwając się wzdłuż równika od Strzelca na prawo ujrzelibyśmy w świetle widzialnym gwiazdozbiory nieba południowego (m.in. Centaura i Krzyż Południa), a na samym skraju mapy – nasze zimowe gwiazdozbiory Bliźniąt, Oriona i Byka. Na lewo od Strzelca widniałyby Orzeł, Łabędź, Kasjopea i Perseusz.
Ale w promieniach gamma się ich nie doszukamy. Trudno byłoby nam zlokalizować nawet Słońce, które w tym zakresie widmowym emituje ponad 10-krotnie mniej energii niż najjaśniejsze z widocznych na mapie źródeł – pulsary Krab, Vela i Geminga. Pulsar to martwy rdzeń gwiazdy, która za młodu miała masę co najmniej 10-krotnie większą niż Słońce. Trwoniąc w szybkim tempie energię czerpaną z reakcji termojądrowych żyła krótko i burzliwie, by w końcu zginąć w potężnej eksplozji zwanej wybuchem supernowej. Jej zewnętrzne warstwy zostały odrzucone z prędkością 30 tys. km/s w przestrzeń międzygwiazdową, a rdzeń, zwierający więcej materii niż Słońce, zapadł się w ułamku sekundy do rozmiarów niewielkiej planetoidy, która w całości zmieściłaby się w administracyjnych granicach Warszawy.
Tuż po zapadnięciu się rdzeń wiruje w tempie kilkudziesięciu obrotów na sekundę, zwracając ku nam na zmianę to północny, to południowy biegun swojego potężnego pola magnetycznego. Działa dzięki temu jak kosmiczny odpowiednik latarni morskiej, omiatający przestrzeń międzygwiazdową dwoma snopami wysyłanych z okolic biegunów fal elektromagnetycznych. Emitowane przez niego promieniowanie odbieramy w postaci regularnie powtarzających się pulsów, od których pochodzi nazwa pulsar.
Pulsary gamma
Najmłodszym z trójki jasnych pulsarów gamma jest Krab, którego eksplozję zaobserwowali chińscy astronomowie w 1054 r. Centymetr sześcienny przestrzeni przenikniętej jego polem magnetycznym zawiera więcej energii, niż typowy reaktor w elektrowni jądrowej może wytworzyć w ciągu roku. Ta niepozorna resztka wielkiej niegdyś gwiazdy obraca się 30 razy na sekundę, emitując we wszystkich zakresach tyle fal elektromagnetycznych co sto tysięcy Słońc. Odrzucone podczas eksplozji zewnętrzne warstwy gwiazdy mają postać postrzępionego obłoku przypominającego kształtem kraba (stąd nazwa pulsara) i jeszcze dziś, prawie tysiąc lat po wybuchu, rozbiegają się z prędkością 1500 km/s. Można je zobaczyć przez amatorski teleskop w gwiazdozbiorze Byka.
Położony w tle gwiazdozbioru Żagla (łac. Vela) pulsar Vela powstał 12 tys. lat temu. Obraca się 11 razy na sekundę, emitując energię w tempie prawie stukrotnie mniejszym niż Krab (na mapie NASA bije go jasnością tylko dlatego, że znajduje się dużo bliżej). Wolniejsze obroty i zmniejszone tempo emisji są oznakami starzenia się. Pulsar to nic innego jak olbrzymi bąk, rozkręcony podczas wybuchu supernowej. Zwykły bąk zwalnia, ponieważ jego oś ma nierówności, które zaczepiają o nierówności podłoża; pulsar – ponieważ ma pole magnetyczne, które „zaczepia” o znajdujące się w jego zasięgu cząstki elementarne, rozpędzając je przy tym i zmuszając do emisji fal elektromagnetycznych.
We wczesnych latach 70. amerykański satelita SAS-2 odkrył w gwiazdozbiorze Bliźniąt (łac. Gemini) silne źródło promieni gamma, którego długo nie udało się porównać z żadnym obiektem obserwowanym w innych zakresach widmowych. Jego nazwa – Geminga – powstała ze zlania łacińskiej nazwy gwiazdozbioru ze zwrotem gh’e’ minga, który w jednym z dialektów języka włoskiego znaczy „nie ma go” lub „nie istnieje”. Dopiero na początku lat 90. stwierdzono, że tajemnicze źródło jest nietypowym pulsarem, emitującym niemal wyłącznie promienie gamma. Supernowa, która dała mu początek, wybuchła 340 tys. lat temu – nie w Bliźniętach jednak, lecz w sąsiednim gwiazdozbiorze Oriona. Pulsar nie tylko się wtedy rozkręcił, lecz wskutek drobnej asymetrii wybuchu został „wystrzelony” w przestrzeń międzygwiazdową, którą przemierza z prędkością kilkuset km/s. Jako podeszły wiekiem obraca się już tylko cztery razy w ciągu sekundy. Krab, Vela i Geminga są od nas oddalone odpowiednio o 470, 880 i 6500 lat świetlnych.
Blazary - niezwykłe galaktyki
Pulsary to zaledwie 6 proc. ogółu źródeł gamma umieszczonych na mapie NASA. 57 proc. to tzw. blazary, których typowym przedstawicielem jest położony w tle gwiazdozbioru Pegaza i odległy od nas o 7 mld lat świetlnych 3C454.3. Obiekt ten emituje tyle energii co kilka bilionów Słońc i nawet najjaśniejszy pulsar blednie przy nim niczym świetlik przy reflektorze przeciwlotniczym. Jego promieniowanie docierające dziś do Ziemi zostało wysłane 2,5 mld lat przed powstaniem Układu Słonecznego.
Typowa duża galaktyka, taka jak nasza, zawiera kilkaset milionów gwiazd. To za mało, by zasilać blazar – tym bardziej że prawie wszystko, co taki obiekt wyświeca we wszystkich zakresach, pochodzi z obszaru o rozmiarach niewiele większych niż średnica orbity Plutona. Skąd to wiadomo? 3C454.3 potrafi z dnia na dzień kilkudziesięciokrotnie zwiększyć jasność, po czym równie szybko ją zmniejszyć. Żeby doszło do takiej zmiany, sygnał powodujący rozbłyśnięcie lub przygaśnięcie musi rozejść się po całym źródle energii. Żaden sygnał nie może rozchodzić się szybciej niż światło. Jeśli jasność narasta do maksymalnej w ciągu kilku godzin, to źródło może mieć rozmiary co najwyżej kilku godzin świetlnych (promień orbity Plutona to nieco ponad 5 godz. świetlnych).
Gigantyczne tempo emisji można wytłumaczyć w jeden tylko sposób: „silnikiem” blazara jest olbrzymia czarna dziura (ta w 3C454.3 ma masę 0,5–4 mld mas Słońca), na którą opada znajdująca się w jej otoczeniu materia międzygwiazdowa. Większość materii ginie w dziurze, ale niewielka jej część zostaje odrzucona w przestrzeń międzygalaktyczną w postaci dwóch wąskich strumieni płynących prawie z szybkością światła (tzw. dżetów). Jeden z nich jest skierowany w naszą stronę i właśnie z niego dociera promieniowanie gamma. Patrząc na 3C454.3 zaglądamy prosto w lufę kosmicznego miotacza, z której wylatują najtwardsze fotony i rozpędzone do „przyświetlnych” prędkości cząstki elementarne. Trzeba przyznać, że nazwa tej klasy obiektów, wywodząca się z angielskiego blaze (buchać, błyszczeć, gorzeć, płonąć), jest wyjątkowo celna.
Warto obejrzeć film ilustrujący wyniki obserwacji blazarów i budowę tych obiektów, który znaleźć można na samym dole strony www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/gamma-ray-census.html.
Blazar oglądany z boku wygląda zupełnie inaczej. Przykładem takiego obiektu jest Centaur A, położony w tle gwiazdozbioru Centaura w odległości 12 mln lat świetlnych od naszej Galaktyki. Jego dżety są skierowane niemal prostopadle do linii widzenia i na Ziemię trafiają tylko nieliczne z opuszczających je fotonów gamma. Za to w innych zakresach widmowych przedstawia się on bardzo efektownie. W świetle widzialnym wyraźnie widać galaktykę, z której wybiegają długie na półtora miliona lat świetlnych smugi cząstek emitujących fale radiowe i promieniowanie rentgenowskie. W jej centrum, za ciemnym pasmem materii międzygwiazdowej, kryje się czarna dziura o masie około 100 mln mas Słońca.
Martwych gwiazdowych rdzeni pozostałych po gigantycznych katastrofach znajdziemy w naszej Galaktyce około miliarda. Wśród dalekich galaktyk co dziesiąta jest kosmicznym monstrum w rodzaju 3C454.3 lub Centaura A. Pamiętając o tym, nie sposób nie pomyśleć, że Wszechświat nie został skrojony na naszą miarę.