Immagina di guardare case rosse e a volte vedi un corvo che vola. Il corvo e la casa potrebbero essere a miglia di distanza, quindi questo deve essere impossibile, giusto? Bene, secondo un nuovo sondaggio se guardi un quasar, vedrai una galassia di fronte il 25% delle volte. Ma per i lampi di raggi gamma, c'è quasi sempre una galassia che interviene. Anche se potrebbero essere separati da miliardi di anni luce. Trova una soluzione. Il dott. Jason X. Prochaska, dell'Università della California, Santa Cruz mi parla degli strani risultati che hanno trovato e di quale potrebbe essere la causa.
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Fraser Cain: Okay, per dare alle persone un po 'di background, qual è la differenza tra un lampo di raggi gamma e un quasar? Immagino che siano piuttosto diversi.
Dr. Prochaska: Sì, forse inizierò con le somiglianze. Sono entrambi oggetti molto interessanti per lo studio della cosmologia perché sono oggetti estremamente luminosi. Un'altra somiglianza è che crediamo che siano entrambi correlati ai buchi neri, ma dopo ciò, c'è una grande differenza tra i due tipi di oggetti. Si ritiene che i quasar siano buchi neri supermassicci, quindi buchi neri, ma estremamente massicci, in alcuni casi massicci come una galassia. Accumulare gas sul buco nero si riscalda e la luce che vediamo è il quasar. Poiché sono supermassicci, possono accumulare un sacco di gas e, di conseguenza, possono brillare molto intensamente, che può essere visto da grandi distanze.
Un raggio gamma, almeno, su cui si basa questo documento - ce ne sono due tipi - è il risultato di una stella massiccia, una stella singola, ma piuttosto massiccia, dell'ordine di 10-50 volte più massiccia del nostro Sole, arriva con la morte di una stella. Alla fine della sua durata naturale. Alla sua morte, crea un buco nero, e una parte di queste stelle, crediamo che crei lampi di raggi gamma.
Fraser: E hai fatto un sondaggio su quasar e lampi di raggi gamma, e cosa hai trovato?
Dr. Prochaska: Prima ho messo uno studente su un progetto con quasar. Esiste un database pubblico chiamato Sloan Digital Sky Survey, che ha esaminato gran parte del cielo settentrionale. E hanno preso uno spettro probabilmente vicino a un milione di oggetti, principalmente un sondaggio galattico al centro di esso. Oltre a studiare le galassie, hanno anche studiato i quasar. Ora hanno preso la spettroscopia di circa 60.000 quasar e hanno rilasciato quei dati pubblicamente a chiunque sul pianeta lo desideri. Più o meno, abbiamo attraversato il database alla ricerca di firme di galassie che si trovano tra noi e i quasar. Quindi se hai un quasar a grande distanza, poiché tendono a mentire, c'è la possibilità che ci sia una galassia piuttosto grande tra noi e quel quasar. La galassia si rivela dalle linee di assorbimento sul quasar. Quindi analizzi lo spettro del quasar, vedi queste caratteristiche associate al quasar che sono molto distintive, ma potresti vedere l'assenza di luce in questo caso. L'impronta digitale della galassia stessa che coincide casualmente tra noi e il quasar. Questo tipo di scienza è qualcosa che faccio da 12 anni ormai. Ho visto il mio studente esaminare questi 50.000 quasar nel sondaggio di Sloan e ho contato quante volte abbiamo una galassia tra noi e il quasar. Questo è il primo passo in avanti e c'è molta scienza che può venire fuori da una tale ricerca di queste galassie.
Fraser: Quindi potresti non essere in grado di vedere visivamente se c'è una galassia lì, ma puoi rilevarla.
Dr. Prochaska: Esatto. La nostra Via Lattea è piena di stelle, gas e polvere. Per quanto riguarda i barioni, i protoni e i neutroni. Le tre principali fasi in cui i barioni risiedono nella Via Lattea sono le stelle, che vedi abbastanza facilmente, il gas, che è più o meno invisibile, ma emette a 21 cm - una tecnica ben nota usata per mappare il gas nella nostra galassia con radiotelescopi. Ma il gas può anche assorbire la luce. Emette a lunghezze d'onda di 21 cm, ma si assorbe anche a frequenze specifiche. Assorbe la luce da un oggetto di sfondo. E praticamente tutte le galassie non hanno solo stelle ma il gas da cui queste stelle si stanno formando, e si può rilevare la galassia, la firma di quella galassia studiando il gas. E questa è la tecnica che usiamo per i quasar, ed è la stessa tecnica che usiamo per i lampi di raggi gamma.
Fraser: Giusto, e cosa hai trovato con i lampi di raggi gamma?
Dr. Prochaska: In realtà, un punto importante che ho escluso nel confrontare i quasar con i lampi di raggi gamma è che sono molto luminosi. Come con il loro nome, emettono molti raggi gamma, ma una buona parte di essi - sicuramente più della metà - emette anche radiazioni nell'ultravioletto, i raggi X, la luce ottica, persino la luce radio e sono molto luminosi in quelle frequenze . E così possiamo vederli in tutto l'Universo nelle frequenze ultraviolette o ottiche e usarli per studiare il gas che si trova tra noi e l'esplosione dei raggi gamma. Ciò che è diverso nei quasar, almeno per il momento, è che sono stati scoperti molti meno lampi di raggi gamma. Richiede un satellite spaziale per rilevare questi fenomeni, una discreta quantità di tecnologia che non esiste da molto tempo fino a poco tempo fa. Quindi il numero di queste cose che sono state rilevate è ancora nel 1000, ma solo 1-200 che possiamo studiare in dettaglio. È quello che abbiamo fatto, prendendo anche un sottoinsieme di quei 100 o giù di lì, acquisito lo spettro dell'esplosione del raggio gamma e di nuovo cercato la firma delle galassie che si trovano tra noi e l'esplosione, di nuovo attraverso il gas. Il risultato in breve è che mentre abbiamo un piccolo campione di lampi di raggi gamma, una sovrabbondanza significativamente significativa di più galassie verso lampi di raggi gamma, mentre ci sono verso quasar.
Fraser: Quanti altri?
Dr. Prochaska: il numero ora è 4, che è stato ben misurato, direi che l'errore è 1, quindi 4 più o meno 1. Ciò che è significativo è che si tratta di un miglioramento. Il potenziamento potrebbe un giorno essere 3 o forse 1,5, ma il potenziamento rispetto al quasar è molto valido.
Fraser: Per qualche ragione ci sono più galassie tra noi e i lontani raggi gamma scoppia di quanti ce ne siano tra noi e i quasar. Com'è possibile? Sono così distanti.
Dr. Prochaska: Giusto, e questa è la cosa da sottolineare in primo luogo è che in priori, non ci aspettiamo che le galassie che casualmente verso quasar o esplosioni di raggi gamma abbiano a che fare con quella sorgente di luce di fondo. Ancora una volta, troviamo un quasar a grande distanza da noi, la galassia è anche a una distanza da noi, ma anche, allo stesso tempo, a una distanza molto grande dal quasar. Tanto che non ti aspetteresti alcuna associazione; nessuna associazione gravitazionale, nessuna elettromagnetica, nessuna associazione fisica tra la galassia che stiamo identificando e il quasar. E lo stesso vale per l'esperimento di scoppio di raggi gamma. I lampi di raggi gamma sono a grande distanza da noi, vediamo galassie verso di esso - sono a grande distanza da noi, ma anche a grande distanza dallo scoppio dei raggi gamma. E ancora, non abbiamo aspettative a priori di alcuna relazione fisica tra quella galassia e l'esplosione di raggi gamma che si trova dietro di essa. Certamente in superficie è abbastanza sorprendente, il test è piuttosto semplice. La nostra reazione immediata è, okay, che sta succedendo?
Ci sono tre pregiudizi o spiegazioni: in astronomia li chiameremmo pregiudizi di selezione. E le tre spiegazioni chiave, le spiegazioni ovvie, che potrebbero darti questo risultato sono le prime: la polvere. Le galassie, come ho detto, hanno materia in tre fasi: stelle, gas e polvere. La maggior parte delle galassie, o probabilmente tutte le galassie, hanno polvere al loro interno. E l'aspetto chiave della polvere è che estingue la fonte di sfondo. Quindi spargi un po 'di polvere tra te e il quasar e lo renderai più debole. Tutte queste galassie contengono polvere e puoi immaginare che mancano i quasar quando esegui questo sondaggio in tutto il cielo. Le galassie che contengono molta polvere oscureranno il quasar e non lo guarderai mai. Non verrà mai conteggiato nel tuo campione. Ma i lampi di raggi gamma, che vengono rilevati con un approccio molto diverso, usando i raggi gamma, non sarebbero così sensibili a questa polvere: potresti comunque rilevare il lampo di raggi gamma e contarlo nel tuo campione. Quindi finiresti con un numero eccessivo di oggetti nel campione di raggi gamma, con un'assenza di quasar a causa della polvere. Il motivo per cui non pensiamo che la risposta sia che abbiamo un buon senso di quanta polvere sono le galassie e non è sufficiente rimuovere abbastanza quasar dal campione per compensare la differenza di un fattore 4.
Quindi questa è la spiegazione numero 1. Il numero 2 sarebbe che la nostra ipotesi a priori, che il gas non ha nulla a che fare con lo scoppio dei raggi gamma o che il quasar sia sbagliato. Ho detto che questo gas è molto distante da noi, dal quasar e dallo scoppio dei raggi gamma. Probabilmente il problema più difficile in astronomia è in realtà misurare la distanza. Non sto davvero misurando la distanza del gas, sto misurando lo spostamento verso il rosso del gas, e questo mi dà una stima della distanza, supponendo che lo spostamento verso il rosso sia dovuto all'espansione dell'Universo. Il redshift è solo una velocità. Quindi sto misurando la velocità del gas, sto misurando la velocità dell'esplosione del raggio gamma. So che i due sono diversi, che conosco con un fatto scientifico assoluto. Suppongo che la differenza nelle velocità sia dovuta all'espansione dell'Universo e quindi alla distanza tra gli oggetti. Ma è possibile che i lampi di raggi gamma abbiano effettivamente sputato questo gas durante l'esplosione, diciamo, a velocità molto elevate in modo che abbia una velocità diversa rispetto allo scoppio del raggio gamma stesso, e questa è la ragione della differenza nel redshift, e perciò mi induce a dire che hanno distanze diverse. Quindi, in poche parole, la spiegazione per il numero 2 è che i lampi di raggi gamma espellono gas a velocità molto elevate e stiamo misurando quel gas e chiamandolo galassia, quando in realtà è solo il gas che viene espulso dai lampi di raggi gamma . Questa è ancora un'opzione praticabile al momento. Il contro-argomento, ed è solido, è che in molti casi abbiamo identificato non solo il gas, ma anche le stelle della galassia che devono ospitare quel gas. Quindi non solo il gas dovrebbe essere espulso, ma una galassia dovrebbe essere espulsa dallo scoppio del raggio gamma, e questo inizia ad allungare l'immaginazione.
Questo porta alla porta numero 3, che è la lente gravitazionale. Le galassie, qualsiasi cosa con massa, hanno un effetto rendendo gli oggetti dietro di loro visivamente più luminosi di quanto non siano in realtà. Pensiamo di avere galassie qui, sappiamo che abbiamo una concentrazione di massa, quindi è del tutto possibile che stiano influenzando la luminosità dell'oggetto dietro di loro e rendendo le esplosioni di raggi gamma molto più luminose di quanto sarebbero altrimenti. Il motivo principale per cui stiamo assistendo ai lampi di raggi gamma è perché lì abbiamo una galassia. Abbiamo bisogno della galassia lì per vedere esplodere il raggio gamma. E questo è un effetto di selezione in cui se non avessimo una galassia, non la vedremmo e ciò porta a una sovrabbondanza di quasar, in cui i quasar sono forse abbastanza luminosi senza le galassie. E la lente gravitazionale, come probabilmente puoi dire, non è qualcosa su cui ho lavorato direttamente, ma gli esperti del settore mi dicono che non è una spiegazione probabile o la spiegazione dominante del risultato.
Fraser: Quindi stai quasi esaurendo le idee.
Dr. Prochaska: Sì, abbiamo sicuramente esaminato i tre ovvi, quelli che qualcuno avrebbe escogitato, eppure abbiamo contro argomenti abbastanza forti a quelli. Un altro gruppo ha avuto un'altra ennesima idea, che ritengo abbastanza intelligente, che i quasar abbiano dimensioni diverse rispetto ai lampi di raggi gamma. È un po 'sottile su come ciò possa fare una grande differenza, ma hanno detto, forse questa è la spiegazione, eppure noi e altri abbiamo elaborato argomenti contrari davvero forti contro la porta numero 4 a questo punto. Le 4 idee decenti che sono state proposte hanno delle carenze.
Fraser: Allora, qual è il prossimo? Presumo che cercherai altri dati.
Dr. Prochaska: Certamente voglio escludere che il gas sia associato ai lampi di raggi gamma, cioè che viene espulso dai lampi di raggi gamma. Mi piacerebbe davvero dimostrare che uno non è certo vero, e il modo per farlo è identificare la galassia e le stelle reali associate al gas. Quindi le persone nel nostro team e in altri team stanno tornando indietro e stanno cercando la galassia che sta effettivamente trattenendo il gas. Se non avessimo trovato le galassie, penso che ciò darebbe maggiore credito all'idea che il gas sia stato espulso dall'esplosione di raggi gamma. Quindi c'è sicuramente del lavoro da fare nello studio delle galassie associate. Sulla stessa linea, possiamo dedurre quanta massa c'è nelle galassie e testare meglio l'ipotesi del cristallino gravitazionale, oltre a sapere quanta polvere c'è nelle galassie per testare l'ipotesi della polvere. Anche mentre li sto giocando, e penso che sia certamente necessario imparare tanto sulle galassie verso i raggi gamma per vedere se sta succedendo qualcosa di divertente o altre proprietà che potrebbero spiegare il risultato. L'altra cosa ovvia da fare, e questo sarà fatto, è solo aspettare che arrivino più esplosioni di raggi gamma e ripetere l'esperimento su più linee di vista. E così attualmente c'è questo telescopio spaziale Swift della NASA in funzione, in cui avremo 10 o forse 100 in più di esplosioni di raggi gamma su cui possiamo ripetere questo esperimento e capire molto profondamente quanto sia statisticamente significativo.
Fraser: C'è qualche tipo di idea completamente là fuori che pensi possa essere possibile?
Dr. Prochaska: Sono sicuro che ci saranno documenti scritti in questo senso. Al momento non sarà la mia opzione preferita. Ma sono uno scienziato, sono un realista. Abbiamo portato il messaggio che c'è questa scoperta peculiare, e abbiamo esaminato molto attentamente come abbiamo fatto lo studio, abbiamo fatto le mele alle mele al meglio delle nostre capacità e penso che abbiamo fatto un buon lavoro. Questo è il tipo di passaggio 1. Il passaggio 2, in qualità di osservatore, mi sembra di poter spiegare il risultato una volta ottenuto. Come ho detto, abbiamo avuto le tre idee e, sfortunatamente, non credo che nessuna di queste sia rimasta bloccata al momento. Se riesco a uccidere tutte le idee, e se il risultato regge bene con i successivi 50 lampi di raggi gamma, a quel punto devi tornare ai tuoi presupposti iniziali; uno di questi è la cosmologia come la conosciamo. Sto dicendo che sono vicino a quello, ma dammi due anni e se le cose non cambiano da ciò che vediamo, sì, penso che devi tornare indietro al passo 0 nella tua linea di ipotesi su l'universo.
