Stellen Sie sich vor, Sie schauen sich rote Häuser an und manchmal sehen Sie eine Krähe vorbeifliegen. Die Krähe und das Haus könnten meilenweit voneinander entfernt sein, also muss das unmöglich sein, oder? Laut einer neuen Umfrage sehen Sie in 25% der Fälle eine Galaxie vor sich, wenn Sie sich einen Quasar ansehen. Bei Gammastrahlenausbrüchen gibt es jedoch fast immer eine dazwischenliegende Galaxie. Obwohl sie durch Milliarden von Lichtjahren getrennt sein könnten. Finde das heraus. Dr. Jason X. Prochaska von der University of California in Santa Cruz spricht mit mir über die seltsamen Ergebnisse, die sie gefunden haben, und was die Ursache sein könnte.
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Fraser Cain: Okay, um den Menschen Hintergrundinformationen zu geben, was ist der Unterschied zwischen einem Gammastrahlenausbruch und einem Quasar? Ich denke, sie sind ziemlich unterschiedlich.
Dr. Prochaska: Ja, vielleicht fange ich mit den Ähnlichkeiten an. Sie sind beide sehr interessante Objekte für das Studium der Kosmologie, weil sie extrem helle Objekte sind. Eine weitere Ähnlichkeit besteht darin, dass wir glauben, dass beide mit Schwarzen Löchern zusammenhängen, aber danach gibt es einen großen Unterschied zwischen den beiden Objekttypen. Es wird angenommen, dass Quasare supermassereiche Schwarze Löcher sind - also Schwarze Löcher, aber extrem massiv, in einigen Fällen so massereich wie eine Galaxie. Das Ansammeln von Gas auf dem Schwarzen Loch erwärmt sich und das Licht, das wir sehen, ist der Quasar. Weil sie supermassiv sind, können sie sehr viel Gas ansammeln und infolgedessen sehr hell leuchten, was aus sehr großen Entfernungen sichtbar ist.
Zumindest ein Gammastrahlenausbruch, auf dem dieses Papier basiert - es gibt zwei Arten -, ist das Ergebnis eines massiven Sterns, eines einzelnen Sterns, aber ziemlich massiv, in der Größenordnung von 10-50-mal so massereich wie unsere Sonne. kommt mit dem Tod eines Sterns an. Am Ende seiner natürlichen Lebensdauer. Nach seinem Tod erzeugt es ein Schwarzes Loch, und wir glauben, dass ein Teil dieser Sterne Gammastrahlen erzeugt.
Fraser: Und Sie haben eine Untersuchung von Quasaren und Gammastrahlen durchgeführt, und was haben Sie gefunden?
Dr. Prochaska: Ich habe zuerst einen Studenten in ein Projekt mit Quasaren aufgenommen. Es gibt eine öffentliche Datenbank namens Sloan Digital Sky Survey, die einen großen Teil des nördlichen Himmels untersucht. Und sie haben Spektren von wahrscheinlich fast einer Million Objekten aufgenommen, hauptsächlich eine Galaxienvermessung im Herzen. Sie haben nicht nur Galaxien untersucht, sondern auch Quasare. Sie haben jetzt etwa 60.000 Quasare spektroskopisch untersucht und diese Daten öffentlich an alle auf dem Planeten weitergegeben, die dies wünschen. Mehr oder weniger durchsuchten wir diese Datenbank und suchten nach Signaturen von Galaxien, die zwischen uns und den Quasaren liegen. Wenn Sie also einen Quasar in sehr großer Entfernung haben, da dieser dazu neigt zu lügen, besteht die Möglichkeit, dass sich zwischen uns und diesem Quasar eine ziemlich große Galaxie befindet. Die Galaxie offenbart sich durch die Absorptionslinien auf dem Quasar. Wenn Sie also das Spektrum des Quasars analysieren, sehen Sie diese mit dem Quasar verbundenen Merkmale, die sehr unterschiedlich sind, aber in diesem Fall sehen Sie möglicherweise das Fehlen von Licht. Der Fingerabdruck der Galaxie selbst, der zufällig zwischen uns und dem Quasar liegt. Diese Art von Wissenschaft mache ich seit 12 Jahren. Ich habe meinen Schüler diese 50.000 Quasare in der Sloan-Umfrage durchsehen lassen und zählen lassen, wie oft eine Galaxie zwischen uns und dem Quasar liegt. Das ist der erste Schritt, und es gibt eine Menge Wissenschaft, die aus einer solchen Suche nach diesen Galaxien hervorgehen kann.
Fraser: Sie können also möglicherweise nicht visuell sehen, ob sich dort eine Galaxie befindet, aber Sie können sie erkennen.
Dr. Prochaska: Das ist richtig. Unsere eigene Milchstraße ist voller Sterne, Gas und Staub. Was die Baryonen betrifft, die Protonen und Neutronen. Die drei Hauptphasen, in denen sich die Baryonen in der Milchstraße befinden, sind Sterne, die Sie ziemlich leicht sehen, Gas, das mehr oder weniger unsichtbar ist, aber bei 21 cm emittiert - eine bekannte Technik, mit der Gas in unserer Galaxie kartiert wird Radioteleskope. Gas kann aber auch Licht absorbieren. Es emittiert zwar bei Wellenlängen von 21 cm, absorbiert aber auch bei bestimmten Frequenzen. Es absorbiert Licht von einem Hintergrundobjekt. Und so haben so ziemlich alle Galaxien nicht nur Sterne, sondern auch das Gas, aus dem sich diese Sterne bilden, und man kann die Galaxie, die Signatur dieser Galaxie, erkennen, indem man das Gas untersucht. Und das ist die Technik, die wir für die Quasare verwenden, und es ist die gleiche Technik, die wir für Gammastrahlen-Bursts verwenden.
Fraser: Richtig, und was haben Sie bei den Gammastrahlen gefunden?
Dr. Prochaska: Eigentlich ist ein wichtiger Punkt, den ich beim Vergleich von Quasaren mit Gammastrahlen-Bursts ausgelassen habe, dass sie sehr hell sind. Wie bei ihrem Namen emittieren sie viele Gammastrahlen, aber ein guter Teil von ihnen - sicherlich mehr als die Hälfte - emittiert auch Strahlung im ultravioletten, im Röntgen-, optischen Licht und sogar im Radiolicht und ist in diesen Frequenzen sehr hell . Und so können wir sie im gesamten Universum in den ultravioletten oder optischen Frequenzen sehen und sie verwenden, um das Gas zu untersuchen, das zwischen uns und dem Gammastrahlenausbruch liegt. Was bei den Quasaren zumindest im Moment anders ist, ist, dass viel weniger Gammastrahlen entdeckt wurden. Es erfordert einen Weltraumsatelliten, um diese Phänomene zu erkennen, eine ganze Menge Technologie, die es bis vor kurzem noch nicht auf einem großen Niveau gegeben hat. Die Anzahl dieser entdeckten Dinge liegt also immer noch in den 1000er Jahren, aber nur 1-200, die wir sehr detailliert untersuchen können. Das ist es, was wir getan haben, indem wir sogar eine Teilmenge dieser 100 genommen haben, das Spektrum des Gammastrahlen-Bursts erfasst und erneut nach der Signatur von Galaxien gesucht haben, die zwischen uns und dem Burst liegen, wieder durch das Gas. Das Ergebnis ist, dass wir zwar eine kleine Stichprobe von Gammastrahlen-Bursts haben, aber eine signifikant signifikante Überfülle von mehr Galaxien in Richtung Gammastrahlen-Bursts als in Richtung Quasare.
Fraser: Wie viele noch?
Dr. Prochaska: Die Zahl ist jetzt 4, das ist gut gemessen worden. Ich würde sagen, der Fehler ist 1, also 4 plus oder minus 1. Was wichtig ist, ist, dass es sich um eine Verbesserung handelt. Die Verbesserung könnte sich eines Tages als 3 oder vielleicht 1,5 herausstellen, aber die Verbesserung gegenüber dem Quasar ist sehr solide.
Fraser: Aus irgendeinem Grund gibt es mehr Galaxien zwischen uns und den entfernten Gammastrahlenausbrüchen als zwischen uns und Quasaren. Wie ist das möglich? Sie sind so weit voneinander entfernt.
Dr. Prochaska: Richtig, und das ist die Sache, die zuerst hervorgehoben werden muss, dass wir von vornherein nicht erwarten, dass die Galaxien, die wir zufällig in Richtung Quasare oder Gammastrahlenausbrüche bewegen, irgendetwas mit dieser Hintergrundlichtquelle zu tun haben. Wieder finden wir einen Quasar in großer Entfernung von uns, die Galaxie auch in großer Entfernung von uns, aber gleichzeitig auch in sehr großer Entfernung vom Quasar. So sehr, dass Sie keine Assoziation erwarten würden; Keine Gravitationsassoziation, keine elektromagnetische, keine physikalische Assoziation zwischen der Galaxie, die wir identifizieren, und dem Quasar. Gleiches gilt für das Gammastrahlen-Burst-Experiment. Die Gammastrahlen sind in großer Entfernung von uns, wir sehen Galaxien darauf zu - sie sind in großer Entfernung von uns, aber auch in großer Entfernung von der Gammastrahlenexplosion. Und wieder haben wir keine a priori Erwartungen an eine physikalische Beziehung zwischen dieser Galaxie und dem dahinter liegenden Gammastrahlenausbruch. An der Oberfläche ist es sicherlich ziemlich beeindruckend, der Test ist ziemlich einfach. Unsere unmittelbare Reaktion ist, okay, was ist los?
Es gibt drei Vorurteile oder Erklärungen - in der Astronomie würden wir sie Auswahlverzerrungen nennen. Und die drei wichtigsten Erklärungen, die offensichtlichen Erklärungen, die Ihnen dieses Ergebnis liefern könnten, sind zunächst: Staub. Galaxien haben, wie gesagt, Materie in drei Phasen: in Sternen, Gas und Staub. Die meisten Galaxien oder wahrscheinlich alle Galaxien enthalten Staub. Und der Schlüsselaspekt von Staub ist, dass er die Hintergrundquelle löscht. Also streust du etwas Staub zwischen dich und den Quasar und du wirst ihn schwächer machen. Diese Galaxien enthalten alle Staub, und Sie können sich vorstellen, dass tatsächlich Quasare fehlen, wenn Sie diese Umfrage über den gesamten Himmel durchführen. Galaxien, die viel Staub enthalten, verdecken den Quasar, und Sie werden ihn nie sehen. Es wird niemals in Ihre Stichprobe aufgenommen. Gammastrahlenausbrüche, die mit einem ganz anderen Ansatz unter Verwendung von Gammastrahlen erfasst werden, sind jedoch nicht so empfindlich für diesen Staub. Sie würden den Gammastrahlenausbruch möglicherweise dennoch erkennen und in Ihrer Probe zählen. Es kommt also zu einer Überzählung von Objekten in der Gammastrahlenprobe, da aufgrund des Staubes keine Quasare vorhanden sind. Der Grund, warum wir nicht glauben, dass dies die Antwort ist, ist, dass wir ein gutes Gefühl dafür haben, wie viel Staub die Galaxien sind, und es nicht ausreicht, genügend Quasare aus der Probe zu entfernen, um den Unterschied um den Faktor 4 auszugleichen.
Das ist also die Erklärung Nummer 1. Nummer 2 wäre, dass unsere Annahme von vornherein, dass das Gas nichts mit dem Gammastrahlenausbruch oder dem Quasar zu tun hat, falsch ist. Ich habe gesagt, dass dieses Gas in großer Entfernung von uns, vom Quasar und vom Gammastrahlenausbruch ist. Das wahrscheinlich schwierigste Problem in der Astronomie ist die Messung der Entfernung. Ich messe nicht wirklich die Entfernung des Gases, ich messe die Rotverschiebung des Gases, und das gibt mir eine Schätzung der Entfernung unter der Annahme, dass die Rotverschiebung auf die Ausdehnung des Universums zurückzuführen ist. Wirklich Rotverschiebung ist nur eine Geschwindigkeit. Ich messe also die Geschwindigkeit des Gases, ich messe die Geschwindigkeit des Gammastrahlenstoßes. Ich weiß, dass die beiden unterschiedlich sind, die ich mit absoluten wissenschaftlichen Fakten kenne. Ich gehe davon aus, dass der Unterschied in den Geschwindigkeiten auf die Ausdehnung des Universums und damit auf den Abstand zwischen den Objekten zurückzuführen ist. Es ist jedoch möglich, dass die Gammastrahlen-Bursts dieses Gas während der Explosion tatsächlich ausgespuckt haben, beispielsweise mit sehr hohen Geschwindigkeiten, so dass es eine andere Geschwindigkeit hat als der Gammastrahlen-Burst selbst, und das ist der Grund für den Unterschied in der Rotverschiebung und Daher habe ich gesagt, dass sie unterschiedliche Entfernungen haben. Kurz gesagt, die Erklärung für Nummer 2 ist, dass die Gammastrahlen-Bursts Gas mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausstoßen und wir dieses Gas messen und es eine Galaxie nennen, obwohl es tatsächlich nur Gas ist, das aus den Gammastrahlen-Bursts ausgestoßen wird . Dies ist derzeit noch eine praktikable Option. Das Gegenargument dazu, und es ist ein solides, ist, dass wir in vielen Fällen nicht nur das Gas identifiziert haben, sondern auch Sterne aus der Galaxie, die dieses Gas beherbergen müssen. Es müsste also nicht nur das Gas ausgestoßen werden, sondern eine Galaxie müsste durch den Gammastrahlenstoß ausgestoßen werden, und das regt die Vorstellungskraft an.
Das führt also zu Tür Nummer 3, bei der es sich um eine Gravitationslinse handelt. Galaxien, alles mit Masse, wirken, indem sie Objekte hinter sich optisch heller machen, als sie tatsächlich sind. Wir denken, wir haben hier Galaxien, wir wissen, dass wir eine Massenkonzentration haben, daher ist es durchaus möglich, dass sie die Helligkeit des Objekts hinter sich beeinflussen und Gammastrahlen viel heller machen, als sie es sonst wären. Der Hauptgrund, warum wir die Gammastrahlen sehen, ist, dass wir dort eine Galaxie haben. Wir brauchen die Galaxie dort, um den Gammastrahlenausbruch zu sehen. Und das ist ein Auswahleffekt, bei dem wir eine Galaxie ohne sie nicht sehen würden, und das führt zu einer Überfülle von Quasaren, bei denen die Quasare ohne die Galaxien vielleicht hell genug sind. Und Gravitationslinsen sind, wie Sie wahrscheinlich sehen können, nicht etwas, an dem ich direkt gearbeitet habe, aber die Experten auf diesem Gebiet sagen mir, dass dies keine wahrscheinliche Erklärung oder die dominante Erklärung des Ergebnisses ist.
Fraser: Ihnen gehen also die Ideen aus.
Dr. Prochaska: Ja, wir haben sicherlich die drei offensichtlichen durchlaufen, die sich jeder einfallen lassen würde, und haben dennoch ziemlich starke Gegenargumente zu diesen. Eine andere Gruppe hatte eine weitere vierte Idee, die ich für ziemlich klug halte, dass Quasare eine andere Größe haben als Gammastrahlenausbrüche. Es ist ein bisschen subtil, wie das einen großen Unterschied machen könnte, aber sie sagten, vielleicht ist das die Erklärung, aber wir und andere haben an dieser Stelle wirklich starke Gegenargumente gegen Tür Nummer 4 entwickelt. Die 4 anständigen Ideen, die vorgeschlagen wurden, haben Mängel.
Fraser: Wie geht es dann weiter? Ich gehe davon aus, dass Sie nach weiteren Daten suchen werden.
Dr. Prochaska: Natürlich möchte ich ausschließen, dass das Gas mit den Gammastrahlen-Bursts assoziiert ist, dass es aus den Gammastrahlen-Bursts herausgeschossen wird. Ich möchte wirklich gerne beweisen, dass dies sicherlich nicht der Fall ist, und der Weg dazu besteht darin, die tatsächliche Galaxie und die Sterne zu identifizieren, die mit dem Gas verbunden sind. Die Leute in unserem Team und anderen Teams gehen zurück und suchen nach der Galaxie, die tatsächlich das Gas enthält. Wenn wir keine Galaxien finden würden, würde dies meiner Meinung nach die Idee, dass das Gas durch den Gammastrahlenstoß ausgestoßen wurde, glaubwürdiger machen. Es gibt also sicherlich noch viel zu tun, um die damit verbundenen Galaxien zu untersuchen. In den gleichen Zeilen können wir ableiten, wie viel Masse sich in den Galaxien befindet, und die Gravitationslinsenhypothese besser testen sowie lernen, wie viel Staub sich in Galaxien befindet, um die Staubhypothese zu testen. Selbst wenn ich sie nicht spiele, und ich denke, es liegt auf jeden Fall an uns, so viel über die Galaxien in Richtung der Gammastrahlenausbrüche zu lernen, um zu sehen, ob etwas Lustiges vor sich geht oder andere Eigenschaften, die das Ergebnis erklären könnten. Die andere naheliegende Sache, und dies wird getan werden, ist nur darauf zu warten, dass weitere Gammastrahlenexplosionen auftreten, und dieses Experiment auf mehr Sichtlinien zu wiederholen. Derzeit ist dieses NASA Swift-Weltraumteleskop in Betrieb, bei dem wir 10 Sekunden oder sogar 100 Sekunden mehr Gammastrahlenausbrüche erhalten, mit denen wir dieses Experiment wiederholen können, und sehr genau herausfinden, wie statistisch signifikant es ist.
Fraser: Gibt es eine Idee, die Ihrer Meinung nach möglich ist?
Dr. Prochaska: Ich bin sicher, dass es Papiere geben wird, die in diese Richtung geschrieben werden. Es wird im Moment nicht meine Lieblingsoption sein. Aber ich bin ein Wissenschaftler, ich bin ein Realist. Wir haben die Botschaft gebracht, dass es diesen besonderen Befund gibt, und wir haben uns sehr genau angesehen, wie wir die Studie durchgeführt haben. Wir haben Äpfel für Äpfel nach besten Kräften gemacht, und ich denke, wir haben einen fairen Job gemacht. Das ist Schritt 1. Schritt 2 Als Beobachter habe ich das Gefühl, dass ich das Ergebnis erklären kann, sobald wir es haben. Wie gesagt, wir haben uns die drei Ideen ausgedacht, und leider glaube ich nicht, dass eine davon im Moment stecken geblieben ist. Wenn ich alle Ideen töten kann und das Ergebnis mit den nächsten 50 Gammastrahlen gut zurechtkommt, müssen Sie an diesem Punkt zu Ihren ursprünglichen Annahmen zurückkehren. Eine davon ist die Kosmologie, wie wir sie kennen. Ich sage, ich bin irgendwo in der Nähe davon, aber gib mir zwei Jahre und wenn sich die Dinge nicht von dem ändern, was wir sehen, ja, ich denke, du musst den ganzen Weg zurück zu Schritt 0 in deiner Reihe von Annahmen über gehen das Weltall.
