Stel je voor dat je naar rode huizen kijkt, en soms zie je een kraai voorbij vliegen. De kraai en het huis kunnen kilometers van elkaar verwijderd zijn, dus dit moet onmogelijk zijn, toch? Welnu, volgens een nieuwe enquête, als je naar een quasar kijkt, zie je 25% van de tijd een melkwegstelsel voor. Maar voor gammastraaluitbarstingen is er bijna altijd een tussenliggend sterrenstelsel. Ook al kunnen ze worden gescheiden door miljarden lichtjaren. Zoek Dat uit. Dr. Jason X. Prochaska, van de Universiteit van Californië, Santa Cruz, vertelt me over de vreemde resultaten die ze hebben gevonden en wat de oorzaak zou kunnen zijn.
Luister naar het interview: A Puzzling Difference (7.8 MB)
Of abonneer u op de podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Ok, om mensen wat achtergrondinformatie te geven, wat is het verschil tussen een gammastraaluitbarsting en een quasar? Ik denk dat ze behoorlijk anders zijn.
Dr. Prochaska: Ja, misschien begin ik met de overeenkomsten. Het zijn allebei zeer interessante objecten voor de studie van kosmologie omdat het extreem heldere objecten zijn. Een andere overeenkomst is dat we denken dat ze allebei verband houden met zwarte gaten, maar daarna is er een groot verschil tussen de twee soorten objecten. Quasars zouden superzware zwarte gaten zijn - dus zwarte gaten, maar extreem massief, in sommige gevallen zo massief als een sterrenstelsel. Gas ophopen op het zwarte gat warmt op en het licht dat we zien is de quasar. Omdat ze superzwaar zijn, kunnen ze heel veel gas opnemen, en als gevolg daarvan kunnen ze heel helder schijnen, wat op zeer grote afstanden te zien is.
Een gammastraaluitbarsting, waarop dit papier tenminste is gebaseerd - er zijn twee soorten - is het resultaat van een massieve ster, een enkele ster, maar behoorlijk massief, in de orde van grootte van 10-50 keer zo zwaar als onze zon, komt aan met de dood van een ster. Aan het einde van zijn natuurlijke levensduur. Na zijn dood creëert het een zwart gat en we denken dat een fractie van deze sterren gammastraaluitbarstingen veroorzaakt.
Fraser: En je hebt quasars en gammastraaluitbarstingen onderzocht, en wat heb je gevonden?
Dr. Prochaska: Ik zette eerst een student op een project met quasars. Er is een openbare database met de naam Sloan Digital Sky Survey en deze heeft een groot deel van de noordelijke hemel onderzocht. En ze hebben een spectra genomen van waarschijnlijk bijna een miljoen objecten, voornamelijk een sterrenstelselonderzoek in het hart ervan. Naast het bestuderen van sterrenstelsels, hebben ze ook quasars bestudeerd. Ze hebben nu spectroscopie gemaakt van ongeveer 60.000 quasars en ze hebben die gegevens openbaar vrijgegeven aan iedereen op de planeet die ze wil. Min of meer bladerden we door die database, op zoek naar handtekeningen van sterrenstelsels die tussen ons en de quasars liggen. Dus als je een quasar op zeer grote afstand hebt, omdat ze de neiging hebben te liegen, bestaat de kans dat er een vrij groot sterrenstelsel is tussen ons en die quasar. De melkweg onthult zich door de absorptielijnen op de quasar. Dus je analyseert het spectrum van de quasar, je ziet deze kenmerken die verband houden met de quasar die heel onderscheidend zijn, maar je ziet in dit geval misschien de afwezigheid van licht. De vingerafdruk van de melkweg zelf die toevallig tussen ons en de quasar ligt. Dat soort wetenschap doe ik de afgelopen 12 jaar. Ik heb mijn student door deze 50.000 quasars in de Sloan-enquête laten kijken en tellen hoe vaak er een melkwegstelsel tussen ons en de quasar ligt. Dat is de eerste stap met moeren en bouten, en er is veel wetenschap die kan voortkomen uit zo'n zoektocht naar deze sterrenstelsels.
Fraser: Je kunt dus misschien niet visueel zien of er een sterrenstelsel is, maar je kunt het wel detecteren.
Dr. Prochaska: Dat klopt. Onze eigen Melkweg zit vol met sterren en gas en stof. Wat betreft de baryons, de protonen en neutronen. De drie belangrijkste fasen waarin de baryons zich in de Melkweg bevinden, zijn sterren, die je vrij gemakkelijk ziet, gas, dat min of meer onzichtbaar is, maar wel op 21 cm emitteert - een bekende techniek die wordt gebruikt om gas in onze melkweg in kaart te brengen met radiotelescopen. Maar gas kan ook licht absorberen. Het zendt wel uit bij een golflengte van 21 cm, maar absorbeert het ook bij specifieke frequenties. Het absorbeert licht van een achtergrondobject. En zo ongeveer alle sterrenstelsels hebben niet alleen sterren, maar ook het gas waaruit die sterren worden gevormd, en je kunt de melkweg, de handtekening van die melkweg, detecteren door het gas te bestuderen. En dat is de techniek die we gebruiken voor de quasars, en het is dezelfde techniek die we gebruiken voor gammastraaluitbarstingen.
Fraser: Klopt, en wat heb je gevonden met de gammastraaluitbarstingen?
Dr. Prochaska: Eigenlijk was een belangrijk punt dat ik wegliet bij het vergelijken van quasars met gammastraaluitbarstingen dat ze erg helder zijn. Net als hun naam zenden ze veel gammastraling uit, maar een flink deel daarvan - zeker meer dan de helft - zendt ook straling uit in het ultraviolet, de röntgenstraling, het optische licht en zelfs het radiolicht, en is erg helder in die frequenties . En dus kunnen we ze door het heelal zien in de ultraviolette of optische frequenties, en ze gebruiken om het gas te bestuderen dat tussen ons en de gammastraaluitbarsting ligt. Wat in de quasars op dit moment tenminste anders is, is dat er veel minder gammastraaluitbarstingen zijn ontdekt. Er is een ruimtesatelliet voor nodig om deze verschijnselen te detecteren, een behoorlijke hoeveelheid technologie die tot voor kort niet op een hoog niveau bestond. Dus het aantal van deze dingen dat is gedetecteerd, is nog steeds nummer in de jaren 1000, maar slechts 1-200 dat we tot in detail kunnen bestuderen. Dat is wat we hebben gedaan, zelfs een deelverzameling van die 100 of zo, het spectrum van de gammastraaluitbarsting verkregen en opnieuw gezocht naar de handtekening van sterrenstelsels die tussen ons en de uitbarsting liggen, opnieuw door het gas. Het resultaat van de notendop is dat, hoewel we een klein aantal gammastraaluitbarstingen hebben, er een aanzienlijk grotere overmaat is van meer sterrenstelsels naar gammastraaluitbarstingen dan naar quasars.
Fraser: Hoeveel meer?
Dr. Prochaska: Het aantal is nu 4, dat is goed gemeten, ik zou zeggen dat de fout 1 is, dus 4 plus of min 1. Wat belangrijk is, is dat het een verbetering is. De verbetering kan op een dag 3 of misschien 1,5 blijken te zijn, maar de verbetering ten opzichte van de quasar is erg degelijk.
Fraser: Om de een of andere reden zijn er meer sterrenstelsels tussen ons en de verre gammastraaluitbarstingen dan tussen ons en quasars. Hoe is dat mogelijk? Ze zijn zo ver uit elkaar.
Dr. Prochaska: Precies, en dat is het eerste dat we moeten benadrukken, dat we bij voorbaat geen verwachting hebben dat de sterrenstelsels die we willekeurig naar quasars of gammastraaluitbarstingen sturen, iets te maken hebben met die achtergrondlichtbron. Nogmaals, we vinden een quasar op grote afstand van ons, de melkweg is ook op een afstand van ons, maar tegelijkertijd ook een zeer grote afstand van de quasar. Zo erg zelfs dat je geen enkele associatie zou verwachten; geen zwaartekrachtassociatie, geen elektromagnetische, geen fysieke associatie tussen de melkweg die we identificeren en de quasar. En hetzelfde geldt voor het gamma-burst burst-experiment. De gammastraaluitbarstingen zijn op grote afstand van ons, we zien er sterrenstelsels naar toe - ze zijn op grote afstand van ons, maar ook op grote afstand van de gammastraaluitbarsting. En nogmaals, we hebben geen a priori verwachtingen van enige fysieke relatie tussen dat sterrenstelsel en de gammastraaluitbarsting die erachter ligt. Zeker aan de oppervlakte is het behoorlijk verbluffend, de test is vrij eenvoudig. Onze onmiddellijke reactie is, oke, wat is er aan de hand?
Er zijn drie vooroordelen of verklaringen - in de sterrenkunde zouden we ze selectiebias noemen. En de drie belangrijkste verklaringen, de voor de hand liggende verklaringen, die u dit resultaat zouden kunnen geven, zijn eerst: stof. Zoals ik al zei, sterrenstelsels hebben materie in drie fasen: in sterren, gas en stof. De meeste sterrenstelsels, of waarschijnlijk alle sterrenstelsels, bevatten stof. En het belangrijkste aspect van stof is dat het de achtergrondbron dooft. Dus je strooit wat stof tussen jou en de quasar, en je gaat het zwakker maken. Deze sterrenstelsels hebben allemaal stof in zich, en je zou je kunnen voorstellen dat je quasars mist als je dit onderzoek over de hele hemel doet. Sterrenstelsels die veel stof bevatten, zullen de quasar verduisteren en je zult er nooit naar kijken. Het wordt nooit meegeteld in uw steekproef. Maar gammastraaluitbarstingen, die met een heel andere benadering worden gedetecteerd, met gammastraling, zouden niet zo gevoelig zijn voor dit stof - je zou de gammastraaluitbarsting mogelijk nog steeds detecteren en in je monster tellen. Dus je zou eindigen met een teveel aan objecten in de gammastraling, zonder quasars vanwege het stof. De reden waarom we niet denken dat dit het antwoord is, is dat we een goed idee hebben van hoeveel stof de sterrenstelsels zijn, en het is niet genoeg om voldoende quasars uit de steekproef te verwijderen om het verschil met een factor 4 goed te maken.
Dus dat is uitleg nummer 1. Nummer 2 zou zijn dat onze a priori veronderstelling is dat het gas niets te maken heeft met de gammastraaluitbarsting of dat de quasar verkeerd is. Ik heb gezegd dat dit gas zich op grote afstand van ons bevindt, en van de quasar en van de gammastraaluitbarsting. Waarschijnlijk is het moeilijkste probleem in de astronomie eigenlijk het meten van afstand. Ik meet niet echt de afstand van het gas, ik meet de roodverschuiving van het gas, en dat geeft me een schatting van de afstand, ervan uitgaande dat de roodverschuiving het gevolg is van de uitdijing van het heelal. Echt roodverschuiving is slechts een snelheid. Dus ik meet de snelheid van het gas, ik meet de snelheid van de gammastraaluitbarsting. Ik weet dat de twee verschillend zijn, dat weet ik met absoluut wetenschappelijk feit. Ik neem aan dat het verschil in snelheden het gevolg is van de uitdijing van het heelal en dus van de afstand tussen de objecten. Maar het is mogelijk dat de gammastraaluitbarstingen dit gas tijdens de explosie hebben uitgespuwd, bijvoorbeeld met zeer hoge snelheden, zodat het een andere snelheid heeft dan de gammastraaluitbarsting zelf, en dat is de reden voor het verschil in roodverschuiving, en vandaar dat ik zeg dat ze verschillende afstanden hebben. Dus, in een notendop, de verklaring voor nummer 2 is dat de gammastraaluitbarstingen gas uitstoten met zeer hoge snelheden en we meten dat gas en noemen het een melkwegstelsel, terwijl het in feite gewoon gas is dat wordt uitgestoten uit de gammastraaluitbarstingen . Dat is momenteel nog een haalbare optie. Het tegenargument, en het is een solide argument, is dat we in veel gevallen niet alleen het gas hebben geïdentificeerd, maar ook sterren uit de melkweg die dat gas moeten bevatten. Dus niet alleen het gas moet worden uitgeworpen, maar ook een melkwegstelsel moet worden uitgestoten door de gammastraaluitbarsting, en dat begint de verbeelding uit te rekken.
Dus dat leidt tot deur nummer 3, dat is zwaartekrachtlensing. Sterrenstelsels, alles met massa, hebben een effect door objecten erachter visueel helderder te maken dan ze in werkelijkheid zijn. We denken dat we hier sterrenstelsels hebben, we weten dat we een massaconcentratie hebben, dus het is heel goed mogelijk dat ze de helderheid van het object erachter beïnvloeden en gammastraaluitbarstingen veel helderder maken dan ze anders zouden zijn. De belangrijkste reden dat we de gammastraaluitbarstingen zien, is omdat we daar een sterrenstelsel hebben. We hebben de melkweg daar nodig om de gammastraaluitbarsting te zien. En dat is een selectie-effect waarbij we, als we geen sterrenstelsel zouden hebben, het niet zouden zien, en dat leidt tot een overvloed aan quasars, waar de quasars misschien helder genoeg zijn zonder de sterrenstelsels. En zwaartekrachtlensing, zoals je waarschijnlijk kunt zien, is niet iets waar ik rechtstreeks aan heb gewerkt, maar de experts in het veld vertellen me dat dit geen waarschijnlijke verklaring is, of de dominante verklaring van het resultaat.
Fraser: Dus je hebt bijna geen ideeën meer.
Dr. Prochaska: Ja, we hebben zeker de drie voor de hand liggende doorgenomen, degene die iemand zou verzinnen, en toch hebben we daar vrij sterke tegenargumenten over. Een andere groep kwam met nog een vierde idee, dat volgens mij best slim was, dat quasars een verschil in grootte hebben dan gammastraaluitbarstingen. Het is een beetje subtiel hoe dat een groot verschil zou kunnen maken, maar ze zeiden, misschien is dat de verklaring, maar wij en anderen hebben op dit punt echt sterke tegenargumenten bedacht tegen deur nummer 4. De 4 goede ideeën die zijn voorgesteld, hebben tekortkomingen.
Fraser: Dus wat is de volgende stap? Ik neem aan dat je naar meer gegevens gaat zoeken.
Dr. Prochaska: Ik wil zeker uitsluiten dat het gas wordt geassocieerd met de gammastraaluitbarstingen, dat wil zeggen dat het uit de gammastraaluitbarstingen wordt geschoten. Ik zou heel graag willen bewijzen dat dat zeker niet waar is, en de manier om dat te doen is door het eigenlijke sterrenstelsel en de sterren te identificeren die geassocieerd zijn met het gas. Dus mensen in ons team en andere teams gaan terug en zoeken naar de melkweg die het gas vasthoudt. Als we geen sterrenstelsels zouden vinden, zou dat mijns inziens meer geloof hechten aan het idee dat het gas werd uitgestoten door de gammastraaluitbarsting. Er is dus zeker werk aan de winkel om de bijbehorende sterrenstelsels te bestuderen. In dezelfde regels kunnen we afleiden hoeveel massa er in de sterrenstelsels zit en de zwaartekrachtlenshypothese beter testen, en ook leren hoeveel stof er in sterrenstelsels zit om de stofhypothese te testen. Zelfs terwijl ik ze aan het spelen ben, en ik denk dat het zeker gepast is om zoveel mogelijk te leren over de sterrenstelsels richting de gammastraaluitbarstingen om te zien of er iets grappigs aan de hand is, of andere eigenschappen die het resultaat zouden kunnen verklaren. Het andere voor de hand liggende om te doen, en dit zal gebeuren, is gewoon te wachten tot er meer gammastraaluitbarstingen optreden en dat experiment op meer zichtlijnen te herhalen. En dus is er momenteel deze NASA Swift-ruimtetelescoop in bedrijf, waar we 10s of misschien wel 100s meer gammastraaluitbarstingen zullen krijgen waarop we dit experiment kunnen herhalen, en heel goed kunnen uitzoeken hoe statistisch significant het is.
Fraser: Is er een idee dat volledig aanwezig is en waarvan je denkt dat het mogelijk is?
Dr. Prochaska: Ik weet zeker dat er in die zin papers zullen worden geschreven. Het zal voorlopig niet mijn favoriete optie zijn. Maar ik ben een wetenschapper, ik ben een realist. We hebben de boodschap gebracht dat er een bijzondere bevinding is, en we hebben heel goed gekeken hoe we de studie hebben uitgevoerd, we hebben appels en appels zo goed mogelijk gemaakt, en ik denk dat we dat goed hebben gedaan. Dat is een soort stap 1. Stap 2, als waarnemer heb ik het gevoel dat ik het resultaat zou moeten kunnen uitleggen zodra we het hebben. Zoals ik al zei, kwamen we met de drie ideeën, en helaas denk ik niet dat die op dit moment zijn blijven hangen. Als ik alle ideeën kan doden, en als het resultaat goed blijft bij de volgende 50 gammastraaluitbarstingen, dan moet je op dat moment teruggaan naar je aanvankelijke veronderstellingen; een daarvan is de kosmologie zoals we die kennen. Ik zeg dat ik daar dichtbij ben, maar geef me twee jaar en als de dingen niet veranderen van wat we zien, ja, ik denk dat je helemaal terug moet gaan naar stap 0 in je lijn van aannames over het heelal.
