Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Fale grawitacyjne pozwalają testować Ogólną Teorię Względności

Recommended Posts

Na podstawie najnowszych wyników badań z obserwatoriów fal grawitacyjnych LIGO/Virgo, naukowcy przeprowadzili testy Ogólnej Teorii Względności (OTW). Zgodność teorii Einsteina z danymi obserwacyjnymi testowano dziewięcioma różnymi metodami. Żadnych niezgodności nie stwierdzono. W badaniach brali udział polscy naukowcy z grupy Polgraw, w tym uczeni z NCBJ.

Ogólna Teoria Względności zaproponowana ponad 100 lat temu przez Alberta Einsteina jest obecnie powszechnie przyjętą teorią grawitacji. Jest ona niezwykle elegancka i koncepcyjnie w zasadzie prosta, choć obliczenia wykonywane na jej podstawie do prostych nie należą. Teoria prawidłowo opisuje poznane zjawiska astronomiczne napędzane przez grawitację, a także jest podstawą do budowy scenariuszy kosmologicznych. W miarę postępu badań i obserwacji, w miarę gromadzenia coraz większych, coraz dokładniejszych i coraz lepiej uporządkowanych zbiorów danych, obszar dostępnych nam zjawisk stale się poszerza. W nauce żadnej teorii nie traktujemy jako dogmatu – tłumaczy prof. Marek Biesiada z Zakładu Astrofizyki NCBJ. Dlatego teorie poddajemy testom, stale sprawdzając ich przewidywania. Jak dotąd OTW została potwierdzona bardzo precyzyjnymi obserwacjami w Układzie Słonecznym i w układach podwójnych pulsarów. Fale grawitacyjne emitowane przez zlewające się czarne dziury dostarczają kolejnej możliwości testowania teorii względności. Jest to reżim silnie zakrzywionych czasoprzestrzeni, wcześniej słabo dostępny testowaniu.

Są przynajmniej dwie przesłanki nakazujące nam sprawdzać, czy OTW wymaga modyfikacji lub zastąpienia nową teorią. Pierwszą z nich są problemy kosmologiczne znane jako ciemna materia i ciemna energia. Problem ciemnej materii polega na tym, że galaktyki i ich gromady przyciągają silniej niż powinny, gdyby uwzględnić całą znaną nam materię. Problem ciemnej energii to fakt, że Wszechświat przyspiesza swą ekspansję, zamiast zwalniać, jak wydaje się przewidywać OTW. Chociaż robocze nazwy ciemna materia i ciemna energia sugerują odpowiedź w postaci nieznanych składników materialnych, pozostaje możliwość, że OTW wymaga modyfikacji. Drugą przesłanką jest wynikająca z OTW konieczność występowania osobliwości, czyli obszarów, gdzie kończą się historie wszystkich cząstek i fotonów. Wydaje się, że problem ten jest związany z kwantową teorią grawitacji, której nie udało się stworzyć w zadowalającej wszystkich postaci. Tu również fale grawitacyjne emitowane przez zlewające się czarne dziury mogą dostarczyć nam wskazówek.

Współprace badawcze LIGO i Virgo opublikowały w tym tygodniu podsumowanie analiz zebranych przez nie danych pod kątem ich zgodności z przewidywaniami OTW. Analizy zebrano w 9 głównych grup stanowiących testy teorii.

Pierwszy test dotyczył zgodności rejestrowanego sygnału bazowego (szumu) ze znanym z testów laboratoryjnych szumem detektora. Z OTW wiemy jak sygnał od dwóch zwartych obiektów powinien wyglądać w detektorach fal grawitacyjnych. Jednak to, czym posługujemy się do opisu sygnału jest teorią – jak cała nauka jest pewnym przybliżeniem, najlepszym jakie mamy, opisującym świat, dopóki nie znajdziemy lepszego. Jeśli OTW nie opisywałaby dostatecznie dobrze takich sygnałów to mielibyśmy przewidywanie teoretyczne plus dodatkowy komponent, który wynika z nieuwzględnionych efektów. Aby zobaczyć, czy taki dodatkowy komponent jest obecny, trzeba było sprawdzić, czy po odjęciu przewidywanego sygnału reszta będzie miała charakterystykę normalnego szumu w detektorze. Przeprowadzony test potwierdził słuszność OTW.

Przeprowadzono też test zgodności przebiegu (kształtu) fal przed i po zlaniu się dwóch obiektów. Źródłami fal grawitacyjnych, które obserwujemy są układy: dwóch gwiazd neutronowych; dwóch czarnych dziur; układ czarna dziura – gwiazda neutronowa. Zdarzenie zlania się tych obiektów następuje w 3 głównych fazach: moment tuż przed zderzeniem, moment zlania się oraz faza stabilizacji. OTW przewiduje, że fazy sprzed zderzenia oraz po powinny generować podobne fale. Przewidywania OTW są zgodne z obserwacjami dla analizowanej próbki. Kolejne dwa testy dotyczyły zachowania się obiektów w pierwszej fazie zlewania, gdy ciała niebieskie okrążają się wzajemnie.

Wzajemne okrążanie zwartych obiektów, takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe, zbliżających się do siebie dzięki utracie energii emitowanej w postaci fal grawitacyjnych, można przybliżyć przez powolny ruch w przybliżeniu słabego pola – nazywa się to post-Newtonowskim przybliżeniem OTW. Podejście to opisane jest kilkoma parametrami, których określenie na tej podstawie można porównać z parametrami otrzymanymi przez OTW. Najnowsze obserwacje wraz z już istniejącymi, pozwalają bardzo dobrze określić ograniczenia wartości tych parametrów. Wyniki te są statystycznie spójne z przewidywaniami OTW.

Pierwsza faza, przed zlaniem się obiektów, pozwala również na sprawdzenie, czy obserwowany sygnał jest zgodny z przewidywaniami zlania się dwóch rotujących czarnych dziur (czarnych dziur Kerra). Jeśli któryś ze składników (lub oba) będzie rotował – powstały obiekt będzie spłaszczony na biegunach i poszerzony na równiku. Naukowcy są w stanie wyłuskać tę informację z danych obserwacyjnych, dzięki czemu można ustalić, że źródłem fal grawitacyjnych nie są żadne egzotyczne, nieprzewidziane przez OTW, obiekty.

Podobne podejście zastosowano do określenia parametrów zdarzenia w trakcie i po zlaniu się obiektów. Czas trwania zlewania się i stabilizacji nowego obiektu jest dużo krótszy od fazy zbliżania się, więc obserwowany sygnał jest dużo silniejszy od widocznego szumu. Oszacowane na tej podstawie parametry dają wartości statystycznie zgodne z przewidywaniami OTW.

Kolejnym jest test propagacji fal grawitacyjnych. Według przewidywań OTW fale grawitacyjne nie podlegają dyspersji, czyli prędkość ich rozchodzenia się nie zależy od ich częstotliwości. OTW można zmodyfikować w taki sposób, by własność ta nie była zachowana. W takiej sytuacji fale pochodzące bezpośrednio ze zlania się obiektów, o wyższej częstotliwości, dotarłyby do obserwatora szybciej, niż fale o mniejszej częstotliwości – pochodzące z fazy początkowej. Nie znaleziono dowodów dyspersji fal grawitacyjnych, co jest zgodne z przewidywaniami OTW.

Brak zaobserwowanej dyspersji umożliwia nam ograniczenie modeli fizyki cząstek, które zakładają, że grawitony cząstki odpowiadające za oddziaływania grawitacyjne - mają masę (tak zwany model ciężkich grawitonów). W ramach OTW grawitony powinny być bezmasowe i podróżować z prędkością światła. Modele ciężkich grawitonów przewidują jednak istnienie dyspersji w pewnym stopniu, więc obserwacje mogą dać ograniczenie na masę grawitonów. W tych badaniach określono masę grawitonów (o ile ją posiadają) na poniżej 1.3*10-23 eV/c2.

Ósmy test dotyczy polaryzacji fal grawitacyjnych. W ramach OTW fale grawitacyjne mogą mieć jedynie dwa typy polaryzacji: typu plusa lub typu X. Bardziej ogólna teoria może prowadzić do nawet sześciu unikatowych typów polaryzacji fal. Przeanalizowano dane obu detektorów LIGO oraz detektora Virgo pod kątem polaryzacji, których OTW nie uwzględnia. Testy nie wykazały możliwości istnienia innych polaryzacji niż przewidywanych przez OTW.

Istnieją alternatywne teorie względem istnienia czarnych dziur. Obiekty takie, nazywane są mimikami czarnych dziur ze względu na to, że mają podobne parametry jak czarne dziury, jednak nie są nimi w sensie OTW. Jedną z najbardziej charakterystycznych cech czarnych dziur jest horyzont zdarzeń, czyli obszar, z którego nic nie jest w stanie uciec - nawet światło. W przypadku mimików, powierzchnia taka miałaby albo częściową, albo pełną refleksyjność, co wywołałoby pewnego rodzaju echo w sygnale z trzeciej fazy zlewania się obiektów. Analizy nie wykazały istnienia tego typu ech, co jest zgodne z przewidywaniami OTW.

Stawiając się w pozycji przeciwników OTW, naukowcy przeprowadzili 9 testów, które mogłyby wykazać błędność Ogólnej Teorii Względności. Dowodów niezgodności nie znaleziono. Testy z całą pewnością będą kontynuowane, bo taka jest istota badań naukowych. Wszelkie niezgodności jakie ewentualnie wystąpią między obserwacjami, a przewidywaniami OTW, mogą w przyszłości zaowocować poznaniem nowych zjawisk.

Nie są to wszystkie testy jakim można poddać teorię grawitacji dzięki badaniu fal grawitacyjnych – wyjaśnia dr Adam Zadrożny z Zakładu Astrofizyki NCBJ, członek polskiej grupy badawczej Polgraw. Bardzo ciekawym przykładem był pomiar stałej Hubble’a dla obserwacji fal grawitacyjnych GW170817 i rozbłysku optycznego AT 2017gfo, które były wynikiem tego samego zdarzenia. Zostało to opisane w czasopiśmie Nature w 2017 roku (vol. 551, p. 85–88). Pomiar stałej Hubble’a wykonany przy użyciu danych z detektorów fal grawitacyjnych był zgodny z wynikami uzyskanymi innymi metodami. Warto też dodać, że prof. Andrzej Królak (IM PAN i NCBJ) razem z prof. Bernardem F. Schutzem (Cardiff University) w pracach w latach 80-tych dali postawy wielu metodom analizy danych z detektorów interferometrycznych takich jak LIGO i Virgo.

Polska od 2008 roku jest częścią projektu Virgo. Polscy uczestnicy projektu tworzą grupę Polgraw, której przewodzi prof. Andrzej Królak (IM PAN, NCBJ). Grupa bierze udział zarówno w badaniach naukowych konsorcjum LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) jak i w konstrukcji detektora Virgo. Wśród badań naukowych prowadzonych przez grupę Polgraw, w ramach LVK, są między innymi analiza danych, rozwijanie metod statystycznych, modelowanie źródeł fal grawitacyjnych oraz analizy emisji fal elektromagnetycznych towarzyszących emisji fal grawitacyjnych. W skład grupy Polgraw wchodzi 12 instytucji w tym Instytut Matematyczny PAN, CAMK (Warszawa), Obserwatorium Astronomiczne UW, Uniwersytet Zielonogórski, Uniwersytet w Białymstoku, NCBJ, Uniwersytet Wrocławski, CAMK (Toruń), Obserwatorium Astronomczne UJ, AGH, ACK Cyfronet AGH, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. W skład konsorcjum LVK wchodzą ze strony NCBJ prof. Andrzej Królak, dr Orest Dorosh, dr Adam Zadrożny i mgr Margherita Grespan. Prace prowadzone w NCBJ dotyczą metod detekcji sygnałów pochodzących od rotujących gwiazd neutronowych, infrastruktury umożliwiającej szybką detekcję sygnałów grawitacyjnych oraz nowych metod analizy i lokalizacji sygnału opartych o sieci neuronowe.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Wszystkie te problemy z teorią względności można rozwiązać wprowadzając 5 siłę - przeciwną grawitacji, bardzo słabą i działającą na wielkich odległościach. Rozwiązuje ona zarówno problem rozszerzania się wszechświata jak i zbyt duże "przyciąganie" galaktyk. Wszystkie badania prowadzone są jednak tak, że nie da się tego stwierdzić - bada się bowiem źródła grawitacji (gdzie grawitacja jest najsilniejsza a ta 5 siła najsłabsza), podczas gdy powinno się badać te miejsca gdzie z grawitacyjnego punktu widzenia jest niemal pustka - w obszarach między supergromadami galaktyk. To tam mogą być źródła tej siły. Wg tej koncepcji Wszechświat wyglądałby jak wielka piana, a na ściankach baniek, a nawet na ich łączeniach tworzyły by się podłużne wielkie struktury i dokładnie to właśnie obserwujemy.

Share this post


Link to post
Share on other sites

OK, ale co ma być źródłem tej siły anty-grawitacji (siły przeciwnej do grawitacji) w miejscach gdzie jest pustka? Czy wg przytoczonej przez Ciebie teorii, to pustka ma być źródłem tej siły? A jeśli nie pustka, to co? Trochę to naciągane.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rozbłyski gamma, jako jedne z najbardziej energetycznych procesów zachodzących w najdalszych zakątkach Wszechświata, od lat są w centrum zainteresowania astrofizyków. Naukowcy spodziewają się, że podobnie jak w przypadku innych dalekich obiektów, istnieje możliwość soczewkowania grawitacyjnego sygnałów pochodzących od takich zdarzeń. NCBJ bierze udział w poszukiwaniach potwierdzenia tych oczekiwań.
      Rozbłyski gamma (GRB, z ang. Gamma-Ray Burst) są obserwowane na całym niebie i są tak jasne, że sygnały od nich docierają z najodleglejszych zakątków Wszechświata. Właściwe zrozumienie kosmologicznego pochodzenia rozbłysków gamma oraz ich natury, zawdzięczamy Polakowi, profesorowi Bohdanowi Paczyńskiemu. Najdalsze obserwowane GRB mają przesunięcie ku czerwieni (z ang. redshift) ~10. Wynika z tego, że ich źródłami są obiekty, od których światło podróżowało do nas ponad 13 miliardów lat. Ze względu na dużą odległość należy się spodziewać, że światło dochodzące do nas od wielu z nich może ulegać soczewkowaniu grawitacyjnemu wywołanemu przez bliższe nam galaktyki. Jednak poza jednym niedawnym przypadkiem opublikowanym w czasopiśmie Nature, nie zdołano jeszcze zaobserwować soczewkowanego GRB tylko i wyłącznie w oparciu o dane z zakresu gamma.
      Od dawna sugerowano, że soczewkowanie grawitacyjne może powielać obrazy GRB. Obserwacje takich zjawisk mogłyby być wykorzystane między innymi do znaczącego polepszenia dokładności pomiarów parametrów kosmologicznych, takich jak stała Hubble'a, do badania fizyki fundamentalnej (testując prędkość ich propagacji w zależności od energii), oraz do uzyskania ograniczenia na obfitość ciemnej materii w postaci zwartych obiektów (czarne dziury, wystygłe: gwiazdy neutronowe lub białe karły).
      Tradycyjne poszukiwania soczewkowanych GRB skupiają się na zakresie promieni gamma. Międzynarodowy zespół naukowców, w którym pracuje prof. Marek Biesiada z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, proponuje by poszukiwania takich zjawisk oprzeć nie tylko o dane gamma, ale też o wielozakresowe obserwacje poświaty rozbłysków (z ang. GRB afterglow).
      Problemów przy szukaniu soczewkowanych rozbłysków gamma jest kilka – mówi prof. Marek Biesiada. Po pierwsze, promieniowanie gamma emitowane jest w obszar dość wąskiego stożka – zatem musimy mieć więcej szczęścia, aby wzajemne ustawienie źródła i soczewki skutkowało obserwowalnymi wielokrotnymi obrazami. Po drugie, detektory gamma mają zbyt słabą rozdzielczość, aby zidentyfikować położenie tych wielokrotnych obrazów. Na szczęście sygnały z obrazów docierają do nas z pewnym opóźnieniem czasowym, czyli detektor powinien zarejestrować dwa sygnały o identycznym kształcie. Tu też tkwi pewien problem: opóźnienie czasowe musi być większe niż 1 sekunda, lecz krótsze niż 300 sekund. W innym przypadku nie mamy szans na odkrycie soczewkowania w detektorze promieni gamma. Ograniczenie czasowe oznacza, że soczewkami mogą tu być obiekty o masach między 100 a 10 mln mas Słońca – to zapewne musiałyby być egzotyczne obiekty, np. masywne czarne dziury o tzw. pośrednich masach, które wciąż są jedynie hipotetyczne. Na szczęście, rozbłyskom gamma towarzyszą znacznie dłużej trwające późniejsze poświaty: najpierw w promieniach X, następnie w świetle widzialnym i na falach radiowych. Co więcej, promieniowanie poświaty nie jest już skolimowane do wnętrza stożka. Mamy więc większe szanse na odkrycie układu soczewkowanego grawitacyjnie. Jest to pomysł, który jakiś czas temu zainspirował mnie i dr Aleksandrę Piórkowską-Kurpas z Uniwersytetu Śląskiego.
      Korzystając ze standardowego modelu poświaty GRB, badacze określili, jak wyglądałyby dane obserwacyjne soczewkowanej poświaty błysków gamma. Analizy oparte zostały o dwa modele soczewek grawitacyjnych: model punktowy (opisujący gwiazdy lub czarne dziury) oraz model galaktyki (tzw. osobliwa izotermiczna sfera). W takiej sytuacji poświata rentgenowska składałaby się z kilku rozbłysków o podobnym kształcie. Z kolei optyczna krzywa jasności poświaty mogłaby posiadać pojaśnienia na swej gałęzi opadającej, gdy jej blask nieuchronnie się zmniejsza. Symulacje numeryczne pozwoliły uzyskać przewidywane profile krzywych jasności poświat w zależności od masy soczewki i opóźnienia czasowego sygnałów.
      W oparciu o swoje analizy naukowcy sugerują, aby przyszłe poszukiwania soczewkowanych GRB oprzeć na dwóch przypadkach obiektów soczewkujących:
      1) Zwarty obiekt, typu czarnej dziury o masie nie większej niż 10 mln mas Słońca. Opóźnienie będzie wtedy niewielkie (~100 sekund lub mniejsze), a zwielokrotnione obrazy gamma mogą być rozdzielone lub nakładające się. Jeśli jednak sygnał opóźniony będzie słabszy niż czułość detektora, aparatura zarejestruje tylko jeden sygnał. W takim przypadku, można wykorzystać późniejsze obserwacje poświaty w zakresach rentgenowskim i optycznym, by ocenić, czy obraz jest soczewkowany, czy może obiekt miał kilka następujących po sobie emisji. Jeśli sygnał GRB jest faktycznie soczewkowany, wówczas poświata rentgenowska najprawdopodobniej zawierałaby kilka rentgenowskich flar o podobnym kształcie. W obrazie optycznym poświaty również powinniśmy zaobserwować pojaśnienia „górki” krzywej jasności.
      2) Galaktyki o masie 1-100 mld mas Słońca. W takim przypadku typowe opóźnienie będzie rzędu ~17 min – 28 h. Wobec tego w zakresie gamma niezmiernie trudno będzie wykryć soczewkowanie (o ile w ogóle będzie to możliwe). Natomiast w zakresie promieni X, światła widzialnego, czy fal radiowych powinny się ujawnić wyraźne flary (pojaśnienia) na tle słabnącej emisji poświaty. Takie zjawisko pozwoliłoby na łatwą weryfikację czy doszło do soczewkowania.
      Biorąc pod uwagę, że teleskopy optyczne oraz radioteleskopy są zazwyczaj w stanie rozróżnić poszczególne obrazy zwielokrotnione, pozwoli to na weryfikację soczewkowania. Jest to kolejny argument na rzecz rozwijania tzw. astronomii wielozakresowej (ang. multimessenger astronomy), co również jest domeną NCBJ.
      W ramach powyższych badań, w archiwalnych danych naukowcy znaleźli potencjalnego kandydata soczewkowanego błysku gamma o katalogowej nazwie – GRB130831A. Opóźnienie czasowe było rzędu 500 sekund, co mieści się w zakresie omawianych sytuacji. Pewne detale tego zjawiska nie pozwalają jednak na stuprocentowe potwierdzenie postawionej hipotezy. Naukowcy nie poddają się i zapowiadają dalsze badania GRB 130831A. Tym samym żywią ogromne nadzieje, że dzięki wielozakresowym przeglądom nieba, w szczególności monitoringu całego nieba w zakresie gamma, znalezienie kolejnych soczewkowanych błysków gamma jest tylko kwestią czasu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z NCBJ przeprowadzili analizy fizykochemiczne srebrnej biżuterii słowiańskiej wykonanej z użyciem techniki granulacji i filigranu. Dzięki badaniom udało się prześledzić procesy i techniki lutowania artefaktów wchodzących w skład skarbów, będących elementem tradycji wikińskiej. Polska kolekcja muzealna znalezisk typu skarby wczesnośredniowieczne stanowi drugi co do wielkości zbiór na świecie.
      Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, we współpracy z badaczami z różnych dziedzin, pracują nad archeometrycznym opracowaniem zabytków wczesnośredniowiecznych, wykonanych ze stopów srebra. Skupiają się nad badaniem pochodzenia i sposobu wykonania zabytków wchodzących w skład skarbów. Skarby to depozyty srebra – monety, sztabki i ozdoby, często w formie siekanej, składane w naczyniu w ziemi. Jest to tradycja zaczerpnięta z kultury i wierzeń Wikingów. Obecnie w Polsce odnaleziono i zainwentaryzowano w muzeach około 600 skarbów i cały czas ich przybywa.
      Jest to materiał liczniejszy od odnalezionego dotychczas w Skandynawii lądowej, przy czym na Gotlandii, zwanej wyspą skarbów, liczebność odnalezionych skarbów wynosi 800 sztuk. Zjawisko chowania skarbów występuje również na terenie dawnej Rusi Kijowskiej, która była, podobnie jak tereny władztwa wczesnopiastowskiego, związana z tradycjami i podbojami wikińskimi. W okresie kształtowania się państwa polskiego (900-1039) skarby, prócz ceramiki i śladów osadnictwa, stanowią unikalny materiał źródłowy dla historii. Brak jest z tego okresu cmentarzysk, które pojawiają się na terenie Polski dopiero wraz z ugruntowaniem się chrześcijaństwa. Brak jest również z tego okresu wystarczającej liczby źródeł pisanych. Toteż badanie dostępnego materiału archeologicznego, jakim są liczne skarby, ma za zadanie przybliżenie funkcjonowania gospodarki kruszcowej i rozchodzenia się myśli technologicznej podczas tworzenia się pierwszego władztwa Piastów.
      Jako element badań nad skarbami naukowcy z NCBJ wykonali analizy fizykochemiczne srebrnej biżuterii wykonanej z użyciem techniki granulacji i filigranu (małe granulki i tasiemki mocowane do bazy ozdoby) znalezionej na ziemiach w Wielkopolsce. Technika ta ma swoje źródła w sztuce bizantyjskiej, przejętej później przez złotników wielkomorawskich, a ozdoby znajdywane w skarbach wczesnośredniowiecznych są jej ostatnim przejawem kontynuacji. Badaniom poddano 5 wisiorków o księżycowym kształcie – tzw. Lunuli, pochodzących ze skarbu odnalezionego w latach 30-tych XX wieku w Obrze Nowej (miejscowości położonej między Wrocławiem a Poznaniem). Należą one do zbiorów Państwowego Muzeum Archeologicznego w Warszawie.
      Lunule stanowią element sztuki złotniczej, charakterystycznej dla obszarów wschodnich – dawnej Rusi Kijowskiej, i są związane z funkcjonowaniem horyzontu złotnictwa słowiańskiego. Do tej pory ozdoby wczesnośredniowieczne były rozważane głównie w kontekście typologicznym, a wstępne badania technologiczne serii ozdób (nie zawierającej fragmentów lunuli) pochodzących ze skarbów odnalezionych w Słuszkowie i Rajskowie (woj. wielkopolskie) oraz w Stojkowie (woj. zachodniopomorskie) opisano w 20191 na łamach czasopisma Archaeological and Anthropological Sciences. Badania obejmowały zabytki przynależne do trzech grup złotniczych: zachodniosłowiańskiej, post-morawskiej i skandynawskiej.
      Wykazały możliwość wyróżnienia dwóch typów lutowania ornamentu do powierzchni: fizycznego (z użyciem lutu metalicznego na bazie miedzi) – w przypadku grupy zachodniosłowiańskiej i chemicznego (z użyciem lutu chemicznego bazującego na różnych związkach miedzi ze znacznym stopniem utlenienia) – dla pozostałych grup. Badania pochodzenia surowca srebrowego, użytego do produkcji ozdób z trzech wspomnianych skarbów, z użyciem analizy stosunków izotopowych ołowiu, wskazują na dominację kruszcu azjatyckiego, pozyskanego z przetopu monet arabskich (dirhemów), będących licznym materiałem wchodzącym w skład skarbów, a pozyskiwanym poprzez wymianę handlową w dobie średniowiecza.
      W przypadku lunuli z Obry Nowej badacze, stosując szersze spektrum technik instrumentalnych, przyjrzeli się bliżej sposobowi lutowania, służącemu do przytwierdzenia zdobień (granulek i tasiemek) do powierzchni biżuterii. W badaniach tych, prócz typowych narzędzi mikroskopowych tj. skaningowej mikroskopii elektronowej z mikroanalizą rentgenowską i mikroskopii optycznej, wykorzystano spektroskopię mikro-Ramana i dyfrakcję rentgenowską.
      Badania potwierdziły wykorzystanie, jako głównego składnika lutów, związków na bazie miedzi z dodatkiem kleju żywicznego (co wynika z obecności węgla w obszarach lutowania). W miejscu łączenia granulek z bazą w widmach ramanowskich zarejestrowano sygnały od amorficznego węgla, podobnego do bitumenu. Naukowcy donoszą, że jest to pozostałość po termicznej obróbce kleju żywicznego, użytego jako formę mocowania/przyklejania malutkiego ornamentu do podłoża w procesie lutowania chemicznego. Obecność węgla została również potwierdzona przy użyciu dyfrakcji rentgenowskiej wykonanej dla próbki lutu.
      Ponadto obszary lutowania są utlenione, a innymi składnikami mieszaniny lutującej prócz miedzi są ołów, z dodatkiem cyny, cynku, wapnia, fosforu oraz krzemu. Składniki te rozlane są po całej powierzchni artefaktów. Jest to efekt lutowania w stosunkowo wysokiej temperaturze (do 800oC), aczkolwiek odkryto wytrącenia lutu wokół mocowanych ornamentów. Z obecności ołowiu wraz z wapniem, fosforem i alkaliami w mikro-obszarach lutowania, naukowcy wywnioskowali, iż do mieszaniny lutowniczej mogła być dodawana glejta (nieoczyszczony tlenek ołowiu), który jest formą uzyskiwaną m.in. w procesie rafinacji srebra. Złoża srebrowe często współwystępują z ołowiem i cynkiem. Dodatkowo ołów jest dodawany w procesie kupelacji do oczyszczania srebra. Wobec czego zawsze metalurgia srebra jest nierozerwalnie związana z metalurgią ołowiu, a jak wykazały badania również i w złotnictwie.
      Do tej pory nie rozpatrywano ołowiu jako składnika w procesie lutowania chemicznego, jego obecność pomijano, jako dodatek złożowy. Pewna ciekawostka, której naukowcy się dopatrzyli w trakcie badań wiąże się właśnie z użyciem glejty ołowianej, jako składnika mieszaniny lutującej. Nawiązuje ono bowiem do przepisu 11 zaczerpniętego z przewodnika po dawnym warsztacie złotniczym, zbioru receptur lutowniczych, z X Papirusu Lejdejskiego*. Dodanie niskotopliwego ołowiu do stopu srebra czy złota (znana są również antyczne złote ozdoby wykonane w technice granulacji, zaś receptury opisane w źródłach historycznych dotyczą lutowania złota, ale stosują się też do srebra) powoduje nadtopienie i zniekształcenia powierzchni w rejonie lutowanym – efekt ten również zaobserwowano na powierzchni lunul. Dodatkowo, zgodnie z przepisem wspomnianym w X Papirusie z Leiden oraz w recepturach opisywanych przez Pliniusza Starszego, dodatek miedzi oraz cyny w mieszance lutowniczej najprawdopodobniej wywodzi się ze stopów opartych na miedzi, takich jak brąz z domieszką cynku.
      Badania sposobu lutowania ornamentów na ozdobach wchodzących w skład skarbów stanowią duże wyzwanie dla warsztatu konwencjonalnych badań materiałowych – mówi kierownik projektu dr Ewelina Miśta-Jakubowska z NCBJ. Obecny skład zabytków jest efektem wielu przemian wtórnych, takich jak procesy korozyjne, a potem konserwacja, która często źle przeprowadzona wręcz uniemożliwia prowadzenie badań technologicznych w sposób nieniszczący. Już na etapie produkcji, mieszania surowców w procesie cieplnym, skład mieszaniny lutującej zmienia się względem produktów wyjściowych. Później skład chemiczny zostaje zmieniony „czasem” i konserwacją. W efekcie do badań mamy do dyspozycji zabytek charakteryzujący się znacznym stopniem niejednorodności strukturalnej i chemicznej. W interpretacji wyników badań nad sposobami lutowania granulatu i filigranu należy brać pod uwagę wszystkie te zmienne.
      Mimo trudności, przed którymi stają naukowcy zajmujący się wczesnośredniowiecznymi technikami złotnictwa, analiza składu lutu wykorzystywanego w takiej ornamentacji jest bardzo ważna. Jako, że ilość znalezisk rośnie, a liczba technik badawczych się wciąż poszerza, zyskujemy dużo materiału porównawczego. Dane te mogą być wykorzystane do prześledzenia przepływu technologii w tym okresie, a co za tym idzie odtworzenia elementu gospodarki kruszcowej w okresie formowania się polskiej państwowości. Wyniki przedstawione w niniejszej publikacji otwierają nowy rozdział w badaniach ornamentacji z wczesnośredniowiecznych skarbów polskich – dodaje dr Miśta.
      Naukowcy zapowiadają, że w przyszłości dane zostaną uzupełnione o badania izotopowe ołowiu, srebra i cyny, celem zaproponowania pochodzenia kruszcu, w tym ołowiu będącego składnikiem lutowania. Dalsze badania są realizowane m.in. we współpracy z Muzeum Narodowym w Szczecinie, Muzeum Narodowym w Kielcach, Muzeum Pierwszych Piastów oraz z laboratorium geochemicznym w Juniata Collegue w Stanach Zjednoczonych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Reaktor badawczy MARIA w trybie ekspresowym zmienił harmonogram pracy, by zapobiec brakom w dostawach medycznego molibdenu-99 (Mo-99). Działanie miało związek z usterką w holenderskim reaktorze HFR, który należy do grona kilku światowych dostawców tego radionuklidu.
      Molibden-99 jest podstawowym radioizotopem służącym do uzyskiwania radioaktywnego technetu. Ten zaś jest wykorzystywany w większości procedur medycyny nuklearnej. Molibden-99 jest produkowany w reaktorach badawczych na drodze napromieniania neutronami tarcz uranowych.
      W zeszłym tygodniu przed jednym z rutynowych uruchomień reaktora HFR wykryto usterkę w obiegu chłodzenia (przed każdym kolejnym uruchomieniem dokonuje się kontroli wszystkich instalacji). Z tego względu nie można go było uruchomić zgodnie z planem, czyli 20 stycznia. Okazało się jednak, że już 21 stycznia produkcję HFR przejął reaktor MARIA w Otwocku-Świerku pod Warszawą.
      20 stycznia byliśmy w Świerku w trakcie spotkania z naszymi partnerami produkującymi medyczny molibden-99, kiedy jednemu z nich zadzwonił telefon - opowiada Paweł Nowakowski, dyrektor Departamentu Eksploatacji Obiektów Jądrowych w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). Nasz gość odszedł na chwilę na bok, by odebrać połączenie i po chwili spytał, czy za dwa dni jesteśmy w stanie awaryjnie napromienić dodatkowe tarcze uranowe. Dobro pacjentów onkologicznych jest dla nas niezwykle ważne, więc zgodziłem się bez wahania. Jesteśmy również przygotowani do przeprowadzenia kolejnych napromieniań w najbliższych tygodniach.
      Jak podkreślono w komunikacie prasowym NCBJ, zespół ekspertów przeprowadził szczegółowe obliczenia optymalizujące konfigurację rdzenia MARII. Później zatwierdziła je Państwowa Agencja Atomistyki. Udało się to zrealizować w zaledwie parę godzin.
      Zadanie wykonano tak szybko, gdyż od 2010 r. MARIA jest przygotowana do napromieniania tarcz uranowych do produkcji molibdenu-99. W roku przeprowadza się kilka cykli.
      NCBJ zaznacza, że w razie nieplanowanych przestojów u głównych dostawców reaktor badawczy MARIA może zmienić harmonogram i zapełnić lukę.
      Warto podkreślić, że MARIA jest jednym z najważniejszych dostawców napromienianych tarcz uranowych do produkcji Mo-99, odpowiedzialnym za około 10% światowych dostaw.
       

       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF – Jefferson Lab) zmierzyli z niezwykłą dokładnością grubość neutronowej „skórki” tworzącej otoczkę jądra ołowiu. Na łamach Physical Review Letters poinformowali, że grubość ta wynosi 0,28 milionowych części nanometra. A ich pomiary mają duże znaczenie dla określenia struktury i rozmiarów... gwiazd neutronowych.
      Jądro każdego pierwiastka składa się z protonów i neutronów. To m.in. one określają właściwości pierwiastków i pozwalają nam je od siebie odróżnić. Fizycy od dawna badają jądra atomowe, by dowiedzieć się, w jaki sposób protony i neutrony oddziałują ze sobą. W Jefferson Lab prowadzony jest Lead Radius Experiment (PREx), którego celem jest dokładne zbadanie rozkładu protonów i neutronów w jądrze ołowiu.
      Pytanie brzmi, gdzie w jądrze znajdują się neutrony. Ołów to ciężki pierwiastek. Posiada dodatkowe neutrony. Jeśli jednak bierzemy pod uwagę wyłącznie oddziaływanie sił jądrowych, które wiążą protony i neutrony w jądrze, to lepiej sprawdza się model, w którym jądro ołowiu posiada równą liczbę protonów i neutronów, mówi profesor Kent Paschke z University of Virginia, rzecznik prasowy PREx.
      W lekkich jądrach, zawierających niewiele protonów, zwykle rzeczywiście liczba protonów i neutronów jest równa. Jednak im cięższe jądro, tym potrzebuje więcej neutronów niż protonów, by pozostać stabilnym. Wszystkie stabilne jądra pierwiastków, które zawierają ponad 20 protonów, mają więcej neutronów niż protonów. Ołów zaś to najcięższy pierwiastek o stabilnych izotopach. Jego jądro zawiera 82 protony i 126 neutronów. A do zrozumienia, jak to wszystko trzyma się razem, musimy wiedzieć, w jaki sposób w jądrze rozłożone są dodatkowe neutrony.
      Protony w jądrze ołowiu ułożone są w kształt sfery. Neutrony tworzą większą sferę otaczającą mniejszą. Tę większą sferę nazwaliśmy skórką neutronową, wyjaśnia Paschke. Tę skórkę po raz pierwszy zauważono właśnie w Jefferson Lab w 2012 roku. Od tamtej pory naukowcy starają się mierzyć jej grubość z coraz większą precyzją.
      Neutrony trudno jest badać, gdyż wiele narzędzi, które mają do dyspozycji fizycy, rejestruje oddziaływania elektromagnetyczne, które są jednymi z czterech podstawowych sił natury. Eksperyment PREx do pomiarów wykorzystuje inną z podstawowych sił – oddziaływania słabe. Protony posiadają ładunek elektryczny, który możemy badań za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego, ale – w porównaniu z protonami – generują potężne oddziaływania słabe. Jeśli więc jesteś w stanie to wykorzystać, możesz określić, gdzie znajdują się neutrony, dodaje Paschke.
      Autorzy nowych badań wykorzystali precyzyjnie kontrolowany strumień elektronów, który został wystrzelony w stronę cienkiej warstwy ołowiu schłodzonej do temperatur kriogenicznych. Elektrony obracały się w kierunku ruchu wiązki i wchodziły w interakcje z protonami i neutronami w atomach ołowiu. Oddziaływania elektromagnetyczne zachowują symetrię odbicia, a oddziaływania słabe nie. to oznacza, że elektron, który wchodzi w interakcję za pomocą sił elektromagnetycznych, robi to niezależnie od kierunku swojego spinu. Natomiast jeśli chodzi o interakcje za pomocą oddziaływań słabych, to widoczna jest tutaj wyraźna preferencja jednego kierunku spinu. Możemy więc wykorzystać tę asymetrię do badania siły oddziaływań, a to pozwala nam określić obszar zajmowany przez neutrony. Zdradza nam zatem, gdzie w odniesieniu do protonów, znajdują się neutrony, mówi profesor Krishna Kumar z University of Massachusetts Amherst.
      Przeprowadzenie eksperymentów wymagało dużej precyzji. Dość wspomnieć, że kierunek spinu elektronów w strumieniu był zmieniany 240 razy na sekundę, a elektrony, zanim dotarły do badanej próbki ołowiu, odbywały ponad kilometrową podróż przez akcelerator. Badacze znali relatywną pozycję względem siebie strumieni elektronów o różnych spinach z dokładnością do szerokości 10 atomów.
      Dzięki tak wielkiej precyzji naukowcy stwierdzili, że średnica sfery tworzonej przez protony wynosi około 5,5 femtometrów. A sfera neutronów jest nieco większa, ma około 5,8 femtometrów. Skórka neutronowa ma więc 0,28 femtometra grubości. To około 0,28 milionowych części nanometra, informuje Paschke.
      Jak jednak te pomiary przekładają się na naszą wiedzę o gwiazdach neutronowych? Wyniki uzyskane w Jefferson Lab wskazują, że skórka neutronowa jest grubsza, niż sugerowały niektóre teorie. To zaś oznacza, że do ściśnięcia jądra potrzebne jest większe ciśnienie niż sądzono, zatem samo jądro jest nieco mniej gęste. A jako, że nie możemy bezpośrednio badać wnętrza gwiazd neutronowych, musimy opierać się na obliczeniach, do których używamy znanych właściwości składowych tych gwiazd.
      Nowe odkrycie ma też znaczenie dla danych z wykrywaczy fal grawitacyjnych. Krążące wokół siebie gwiazdy neutronowe emitują fale grawitacyjne, wykrywane przez LIGO. Gdy już są bardzo blisko, w ostatnim ułamku sekundy oddziaływanie jednej gwiazdy powoduje, że druga staje się owalna. Jeśli skórka neutronowa jest większa, gwiazda przybierze inny kształt niż wówczas, gdy skórka ta jest mniejsza. A LIGO potrafi zmierzyć ten kształt. LIGO i PREx badają całkowicie różne rzeczy, ale łączy je podstawowe równanie – równanie stanu materii jądrowej.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Konsorcja naukowe Virgo, LIGO i KAGRA ogłosiły pierwsze w historii odkrycie układów podwójnych składających się z czarnej dziury i gwiazdy neutronowej. Było to możliwe dzięki wykryciu w styczniu 2020 r.  sygnałów fal grawitacyjnych wyemitowanych przez dwa układy (nazwane od daty ich rejestracji GW200105 i GW200115) w których wirujące wokół siebie czarna dziura i gwiazda neutronowa połączyły się w jeden zwarty obiekt. Astronomowie już kilkadziesiąt lat temu przewidzieli istnienie takich układów, ale do tej pory nigdy nie zaobserwowano ich z całkowitą pewnością, ani za pomocą sygnałów elektromagnetycznych, ani obserwując fale grawitacyjne. Wyniki nowych obserwacji i ich astrofizyczne implikacje zostały opublikowane w The Astrophysical Journal Letters.
      Od momentu pierwszej spektakularnej detekcji fal grawitacyjnych z koalescencji dwóch czarnych dziur, GW150914, za którą została przyznana nagroda Nobla w 2017, zarejestrowaliśmy sygnały z 50 układów podwójnych obiektów zwartych, ale były to wyłącznie pary łączących się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Długo wyczekiwane odkrycie układów podwójnych gwiazdy neutronowej z czarną dziurą rzuca światło na narodziny, życie i śmierć gwiazd, jak również na otoczenie, w którym powstały – wyjaśnia prof. Dorota Rosińska
      Te obserwacje pokazują, ze istnieją mieszane układy podwójne zawierające gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Istnienie takich układów było przewidziane w wielu scenariuszach, w tym rozwijanych przez mnie wraz z prof. Belczynskim od ponad dwudziestu lat. Ta detekcja jest potwierdzeniem takich przewidywań – mówi prof. Tomasz Bulik
      Sygnały fal grawitacyjnych zarejestrowane w styczniu 2020 r. zawierają cenne informacje o cechach fizycznych zaobserwowanych układów, takich jak ich odległości i masy składników, a także o mechanizmach fizycznych, które takie pary wygenerowały i doprowadziły do ich połączenia. Analiza danych wykazała, że czarna dziura i gwiazda neutronowa, które stworzyły GW200105, są odpowiednio około 8,9 i 1,9 razy masywniejsze od naszego Słońca, a ich połączenie miało miejsce około 900 milionów lat temu. W przypadku zdarzenia GW200115 naukowcy z konsorcjów Virgo i LIGO szacują, że dwa zwarte obiekty miały masy około 5,7 (czarna dziura) i 1,5 (gwiazda neutronowa) mas Słońca i połączyły się niemal miliard lat temu.
      Prof. Rosińska: Spodziewaliśmy się, że podczas koalescencji gwiazdy neutronowej z czarną dziurą, gwiazda zostanie rozerwana przez siły pływowe, gdy znajdzie się dostatecznie blisko czarnej dziury, jednak duża różnica mas obiektów spowodowała, że prawdopodobnie gwiazda neutronowa została połknięta w całości przez czarną dziurę.
      Ogłoszony wynik, wraz z dziesiątkami innych detekcji dokonanych do tej pory przez detektory Virgo i LIGO, pozwala po raz pierwszy na dokładną obserwację jednych z najbardziej gwałtownych i rzadkich zjawisk we Wszechświecie. Badamy proces ich tworzenia oraz miejsce ich narodzin.  Obserwacje koalescencji czarnej dziury i gwiazdy neutronowej, dają możliwość testowania fundamentalnych praw fizyki w ekstremalnych warunkach, których nigdy nie będziemy w stanie odtworzyć na Ziemi. Prof. Rosińska: Mamy nadzieję, że przyszłym obserwacjom łączenia się gwiazdy neutronowej z czarną dziurą może towarzyszyć wykrycie wytworzonego w tym procesie promieniowania elektromagnetycznego, co da nam wgląd w proces rozrywania pływowego gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. Może to dostarczyć informacji o ekstremalnie gęstej materii, z której składają się gwiazdy neutronowe.
      Obserwacja dwóch układów gwiazda neutronowa-czarna dziura pokazuje, że koalescencji tego typu obiektów może być od 5 do 15 rocznie w objętości o promieniu miliarda lat świetlnych. To szacowane tempo łączenia się NSBH można wytłumaczyć zarówno izolowaną ewolucją układów podwójnych jak i dynamicznymi oddziaływaniami w gęstych gromadach gwiazd, ale dostępne do tej pory dane nie pozwalają nam na wskazanie bardziej prawdopodobnego scenariusza.
      W pracach uczestniczyli naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego UW: prof. Tomasz Bulik, prof. Dorota Rosińska, mgr Małgorzata Curyło, mgr Neha Singh, dr Przemysław Figura, dr Bartosz Idźkowski, mgr Paweł Szewczyk.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...