Tajemnicza osobliwość

15. Szybka zmienność kwazarów jako test teorii grawitacji

Słynny zmienny kwazar OJ287, słaby obiekt 15. wielkości, podobny do gwiazdy, leży w gwiazdozbiorze Raka. Jego regularna zmienność z okresem około 12 lat została potwierdzona w 1996 roku przez międzynarodowy zespół badawczy koordynowany przez Leo Takala z Obserwatorium Tuorla. Ten rytm zmian został wykryty na podstawie starszych danych analizowanych przez Aimo Sil-lanpää i współpracowników.

Regularna zmienność jasności sugeruje, że obraca się coś wielkiego. Model układu OJ287 pokazano na Rys. 9.3. Składa się z dwóch czarnych dziur – ciężkiej i lekkiej, chociaż obie są supermasywne. Lżejsza czarna dziura okrąża cięższą i w ciągu 12-letniego okresu orbitalnego przechodzi przez dysk akrecyjny cięższej czarnej dziury, powodując silny rozbłysk obserwowany na Ziemi. Mauri Valtonen i Harry Lehto zaproponowali nawet, że długoterminowe obserwacje takich systemów można wykorzystać do weryfikacji przewidywań ogólnej teorii względności dotyczących ewolucji orbit masywnych układów podwójnych*.


16. Kosmologia wymaga relatywistycznej i kwantowej teorii grawitacji

Dobry model kosmologiczny musi spełniać wiele wymagań, z których do dwóch najważniejszych należy oparcie na relatywistycznej i kwantowej teorii grawitacji. Przestawmy krótko ten punkt.

W ziemskich laboratoriach jest całkiem naturalne traktować przestrzeń okołoziemską jak pusty Kosmos. Fizycy mogą nawet zapomnieć, że istnieje zewnętrzny Wszechświat wokół laboratorium. Dla astronomii gwiazdowej pustka rozpoczyna się na zewnątrz Drogi Mlecznej. W astronomii pozagalaktycz-nej nie ma jednak luksusu pomijania otaczającej przestrzeni: nie ma pustej przestrzeni poza Wszechświatem galaktyk. Świat galaktyk nie ma granic.

Wynika z tego ważna konsekwencja dla fizyki grawitacji Wszechświata. Przypomnijmy, że zwykłe ciała niebieskie (np. galaktyki) mają słabe pola grawitacyjne – tzn. energia potencjalna pola grawitacyjnego jest znacznie mniejsza od masy spoczynkowej grawitującego ciała. Lecz wyobraźmy sobie, że galaktyki wypełniają przestrzeń jednorodnie. Wówczas masa wszystkich galaktyk zawartych w kuli wokół Drogi Mlecznej wzrasta jak odległość do potęgi trzeciej. Dlatego w pewnej odległości energia potencjalna osiągnie ogromną wartość relatywistyczną Mc2. Odległość ta określa kulistą część Wszechświata, którą można uznać za nową klasę obiektów – Hubbleoid, do której cała grawitacja newtonowska nie ma zastosowania. Jego promień niewiele różni się od odległości Hubble’a. Jeśli gęstość Kosmosu jest równa krytycznej gęstości wszechświata Friedmanna, wówczas te dwie miary odległości stają się tym samym i oznaczają początek „głębokiego Wszechświata”** .

Wielkość Hubbleoidu jest równa jego promieniowi grawitacyjnemu. Jest to więc obiekt relatywistyczny i dlatego musimy posługiwać się modelami jednorodnymi w relatywistycznej teorii grawitacji. Z przykrością trzeba stwierdzić, że to znacznie utrudnia fizykę relatywistyczną – jak podał fiński kosmolog Tapa-ni Perko za Richardem Bentleyem, „większość duchownych i laików została zmuszona do porzucenia kosmologii ze względu na rachunek tensorowy”.

Ale co się dzieje w przypadku, gdy masa kuli nie rośnie z sześcianem promienia, lecz wolniej, wprost proporcjonalnie do odległości? Wielkość Hubble-oidu rośnie wówczas do nieskończoności i tylko wtedy teoria grawitacji Newtona obowiązywałaby w całym Wszechświecie. Każde jednorodne tło, takie jak fotony, neutrina lub energia fizycznej próżni, powodowałoby, że taki klasyczny model świata przestawałby obowiązywać. W każdym razie teoria Newtona nie może wyjaśnić efektów relatywistycznych nawet w naszym Układzie Słonecznym i nie może być uważana za podstawę współczesnej kosmologii.

Ogólna teoria względności jest głównym czynnikiem, na którym oparte są wspaniałe modele Friedmanna i triumf teorii Wielkiego Wybuchu. Jednak sam wybuch jest zagadką ze swoją osobliwością. Wymaganie dotyczące kwantowej teorii grawitacji pojawia się, gdy spojrzymy daleko w przeszłość do czasów, kiedy wielkość całego obserwowanego Wszechświata była mniejsza od tak zwanej długości Plancka równej 10-33 cm. Długość ta jest częścią kwantowej przyrody, tak więc ogólna teoria względności powinna być zastąpiona przez kwantową teorię grawitacji, byśmy mogli powiedzieć coś o rzeczach zbliżonych do osobliwości.

***

Trudno wyobrazić sobie coś bardziej intrygującego od osobliwości, z której powstał cały Wszechświat i w której może zniknąć cała materia. Osobliwości nie są fantastyką naukową, lecz poważną sprawą leżącą na granicach rozwoju nauki. Pomimo to ich realne istnienie jest nadal sprawą otwartą. Dzięki nowej technologii wyczuwa się nadzieję, że wkrótce obserwacje udowodnią istnienie i charakter osobliwości. Fale grawitacyjne, odkryte przez anteny grawitacyjne następnej generacji wraz z badaniami światła emitowanego przez gwiazdy podwójne i kwazary za pomocą radioteleskopów, teleskopów optycznych i rentgenowskich, przybliżą nam zagadkową naturę grawitacji – siły tworzącej ład kosmiczny.



______________

* OJ287 nie jest jedynym regularnie zmiennym aktywnym jądrem galaktyk. Astronomowie z St. Petersburga, Michaił Babadzianjanc i Jelena Bełokon, mąż i żona, badają aktywne galaktyki od lat 1980. Odkryli trzy inne obiekty, które zwiększają jasność co 10 lat: 3C273 („pierwszy kwazar”), 3C120 i 3C390.3.

** Dla jednorodnego rozkładu materii masa zawarta w kuli o promieniu R jest równa M(R)~R^3. Tak więc potencjał grawitacyjny O~M/R~R^2. Odległość, dla której potencjał osiąga wartość c^2 jest promieniem grawitacyjnym Hubbleoidu R~GM/c^2.