Sign in to follow this
Followers
0
Świerk: reaktor MARIA błyskawicznie zmienił harmonogram pracy. Dzięki temu udało się zapobiec brakom w dostawach medycznego molibdenu-99
-
Similar Content
-
By KopalniaWiedzy.pl
Reaktor Maria z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku to jeden z głównych dostawców medycznego molibdenu-99. Zaspokaja 10% światowego zapotrzebowania. Pierwiastek ten jest stosowany w 80% zabiegów diagnostycznych z użyciem radiofarmaceutyków i w radioterapii. Maria kilkukrotnie w ciągu roku napromieniowuje tarcze uranowe niezbędne w produkcji Mo-99. Jest też skonfigurowany tak, by awaryjnie zwiększać produkcję, gdyby u innych dostawców pojawiły się problemy. Tak było na początku bieżącego roku, gdy w holenderskim reaktorze HFR doszło do awarii. Naukowcy z NCBJ uzyskali właśnie europejski patent na tarcze uranowe wykonane metodą druku 3D, które zoptymalizują produkcję molibdenu.
Światowe zapotrzebowanie na molibden-99 jest ogromne. Jest to radioizotop wytwarzany zazwyczaj w badawczych reaktorach jądrowych, czyli w urządzeniach o ograniczonych możliwościach produkcyjnych. Właśnie dlatego tak ważne jest ciągłe doskonalenie metod jego produkcji, mówi współtwórca patentu, profesor Paweł Sobkowicz.
W technikach obrazowania budowy i funkcji naszego ciała często wykorzystuje się izotopy promieniotwórcze, wprowadzane do organizmu. Następnie aparatura diagnostyczna rejestruje fotony emitowane przez jądra rozpadających się pierwiastków. Jednym z najważniejszych z nich jest technet-99m. To izotop metastabilny, a emitowane przezeń fotony są nieszkodliwe dla tkanek i łatwo je rejestrować. Ponadto okres jego połowicznego rozpadu wynosi zaledwie 6 godzin, więc wkrótce po badaniu znika on z organizmu.
Krótki czas połowicznego rozpadu technetu-99m to zaleta z punktu widzenia pacjenta, jednak poważny problem technologiczny. Znacząco ogranicza to bowiem czas, jaki może minąć pomiędzy wyprodukowaniem pierwiastka, a jego użyciem podczas diagnostyki. Dlatego też do szpitali wysyła się nie technet, a molibden-99, który rozpada się do technetu. Czas połowicznego rozpadu molibdenu-99 wynosi 67 godzin. To wystarczająco dużo, by przewieźć go z miejsca produkcji do szpitala.
Molibden-99 najczęściej powstaje przez napromienianie neutronami niewielkich tarcz zawierających nisko wzbogacony uran-235. Neutrony z reaktora mają ograniczoną zdolność przenikania do wnętrza materiału tarczy. Aby zagwarantować, że jak najwięcej jąder uranu-235 przekształci się w molibden-99, tarcze zazwyczaj przygotowuje się w postaci cienkich płytek z dyspersji uranu lub jego tlenku albo krzemku w aluminium. Proces produkcji płytek nie pozostawia wiele miejsca na optymalizację. Dlatego zaproponowaliśmy inny sposób przygotowywania tarcz uranowych: druk przestrzenny metodą laserowego spiekania proszków, mówi inżynier Maciej Lipka, jeden z pomysłodawców patentu.
Polscy eksperci wykorzystali laserowe spiekanie proszków metalowych. To jedna z technik druku przestrzennego, w której wykorzystuje się lasery do topienia warstwy proszku. Techniki takie znane są od dawna, ale dotychczas nie wykorzystywany ich do wytwarzania tarcz uranowych. Eksperci ze Świerku uważają, że ta metoda produkcji ma wiele zalet. Pozwala ona bowiem na zoptymalizowanie kształtu tarcz tak, by lepiej rozpraszały ciepło. Tarcze nagrzewają się więc słabiej, dzięki czemu można zwiększyć w nich zawartość uranu-235, a zatem wyprodukować więcej molibdenu-99.
Podczas ostrzeliwania neutronami, w tarczy uranowej powstaje nie tylko molibden-99, ale też wiele innych izotopów. Po wyjęciu z reaktora każdą tarczę trzeba więc poddać stosownej obróbce chemicznej, która służy wyodrębnieniu molibdenu. Tymczasem za pomocą druku przestrzennego można przygotować np. tarcze ażurowe, o bardzo dużej powierzchni czynnej, skuteczniej oddziałujące z rozpuszczalnikami chemicznymi, wyjaśnia Maciej Lipka. Co więcej, część jąder uranu-235 nie ulega przemianie po napromieniowaniu, zatem ich kształt można by dobierać tak, by zwiększyć ilość odzyskiwanego z nich uranu, który można użyć do produkcji kolejnych tarcz.
« powrót do artykułu -
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
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
-
-
Recently Browsing 0 members
No registered users viewing this page.