Tänk dig att titta på röda hus, och ibland ser du en kråka flyga förbi. Kråkan och huset kan vara mil från varandra, så det måste vara omöjligt, eller hur? Tja, enligt en ny undersökning om du tittar på en kvasar ser du en galax framför 25% av tiden. Men för gammastrålar, finns det nästan alltid en mellanliggande galax. Trots att de kunde separeras av miljarder ljusår. Räkna ut det. Dr. Jason X. Prochaska, från University of California, Santa Cruz talar till mig om de konstiga resultaten de har hittat och vad som kan vara orsaken.
Lyssna på intervjun: A Puzzling Difference (7,8 MB)
Eller prenumerera på Podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Okej, för att ge människor lite bakgrund, vad är skillnaden mellan en gammastrålning och en kvasar? Jag antar att de är ganska annorlunda.
Dr. Prochaska: Ja, kanske kommer jag att börja med likheterna. De är båda väldigt intressanta föremål för studiet av kosmologi eftersom de är extremt ljusa föremål. En annan likhet är att vi tror att de båda är relaterade till svarta hål, men efter det är det stor skillnad mellan de två objekttyperna. Kvasarer tros vara supermassiva svarta hål - så svarta hål, men extremt massiva, i vissa fall lika stora som en galax. Tillförsel av gas på det svarta hålet värms upp och ljuset som vi ser är kvasaren. Eftersom de är supermassiva kan de ackumulera massor och mycket gas, och som ett resultat kan de lysa väldigt ljust vilket kan ses från mycket stora avstånd.
En gammastråle brast, åtminstone, som detta papper bygger på - det finns två typer - är resultatet av en massiv stjärna, en enda stjärna, men ganska massiv, i storleksordningen 10-50 gånger så massiv som vår sol, anländer med en stjärns död. I slutet av dess naturliga livslängd. Efter sin död skapar det ett svart hål, och en del bråk av dessa stjärnor tror vi skapar gammastrålar.
Fraser: Och du gjorde en undersökning av kvasarer och gammastrålar, och vad hittade du?
Dr. Prochaska: Jag satte först en student på ett projekt med kvasarer. Det finns en offentlig databas som heter Sloan Digital Sky Survey, och den har undersökt en stor del av den norra himlen. Och de har tagit ett spektra av förmodligen nära en miljon objekt, främst en galaxundersökning i hjärtat av den. Förutom att studera galaxer har de också studerat kvasarer. De har tagit spektroskopi av cirka 60 000 kvasarer nu, och de har släppt den informationen offentligt för alla på planeten som vill ha den. Mer eller mindre promenerade vi genom den databasen och letade efter signaturer av galaxer som ligger mellan oss och kvasarna. Så om du har en kvasar på ett mycket stort avstånd, eftersom de tenderar att ligga, finns det en chans att det finns en ganska stor galax mellan oss och den kvasaren. Galaxen avslöjar sig genom absorptionslinjerna på kvasaren. Så du analyserar kvasarens spektrum, du ser dessa funktioner associerade med kvasaren som är mycket distinkta, men du kanske ser frånvaron av ljus i det här fallet. Själva galaxens fingeravtryck som sammanfaller ligger mellan oss och kvasaren. Den typen av vetenskap är något som jag har gjort de senaste 12 åren nu. Jag har fått min student titta igenom dessa 50 000 kvasarer i Sloan-undersökningen och räkna upp hur ofta vi har en galax som ligger mellan oss och kvasaren. Det är det första steget, och det finns mycket vetenskap som kan komma ut ur en sådan sökning efter dessa galaxer.
Fraser: Så du kanske inte kan se visuellt om det finns en galax där, men du kan upptäcka den.
Dr. Prochaska: Det stämmer. Vårt egen Vintergata är full av stjärnor och gas och damm. När det gäller baryonerna är protonerna och neutronerna. De tre huvudsakliga faserna som baryonerna ligger i Vintergatan är stjärnor, som du ser ganska lätt, gas, som är mer eller mindre osynlig, men emitterar vid 21 cm - en välkänd teknik som används för att kartlägga gas i vår galax med radioteleskop. Men gas kan också absorbera ljus. Den avger vid 21 cm våglängder, men absorberar också vid specifika frekvenser. Det absorberar ljus från ett bakgrundsobjekt. Och så stort sett har alla galaxer inte bara stjärnor utan den gas som dessa stjärnor bildas ut ur, och man kan upptäcka galaxen, den galaxens signatur genom att studera gasen. Och det är den teknik som vi använder för kvasarerna, och det är samma teknik som vi använder för gammastrålningsutbrott.
Fraser: Rätt, och vad hittade du med gammastrålningsutbrott?
Dr. Prochaska: Faktiskt, en viktig punkt som jag lämnade när jag jämför jastrarna med gammastrålningsbrister är att de är väldigt ljusa. Som med deras namn avger de massor av gammastrålar, men en bra bråkdel av dem - säkert mer än hälften - avger också strålning i ultraviolett, röntgenstrålning, optiskt ljus, till och med radioljus, och är mycket ljusa i dessa frekvenser . Och så kan vi se dem över universum i de ultravioletta eller optiska frekvenserna och använda dem för att studera gasen som ligger mellan oss och gammastrålningen. Det som skiljer sig åt åtminstone för ögonblicket är att det finns många färre gammastrålar som har upptäckts. Det kräver en rymdsatellit för att upptäcka dessa fenomen, en hel del teknik som inte har funnits på en bra nivå förrän nyligen. Så antalet av dessa saker som har upptäckts är fortfarande nummer på 1000-talet, men bara 1-200 som vi kan studera i detalj. Det är vad vi har gjort, tog till och med en delmängd av de 100 eller så, förvärvade spektrumet av gammastrålbrast och sökte igen efter signaturen på galaxer som ligger mellan oss och bristen, igen genom gasen. Nötskalresultatet är att även om vi har ett litet prov av gammastrålningsutbrott, en väsentlig betydande överflod av fler galaxer mot gammastrålningsutbrott, så finns det mot kvasarer.
Fraser: Hur många fler?
Dr. Prochaska: Numret är nu 4, det har mätts väl, jag skulle säga att felet är 1, så 4 plus eller minus 1. Det som är betydande är att det är en förbättring. Förbättringen kan en dag visa sig vara 3 eller 1,5, men förbättringen över kvasaren är väldigt bra.
Fraser: Av någon anledning finns det fler galaxer mellan oss och de avlägsna gammastrålarna än det finns mellan oss och kvasarer. Hur är det möjligt? De är så långt ifrån varandra.
Dr. Prochaska: Rätt, och det är det som man bör betona först är att vi i priori inte har någon förväntning om att galaxerna som vi slumpmässigt riktar mot kvasarer eller gammastrålar har något att göra med den bakgrundslyskällan. Återigen hittar vi en kvasar på ett stort avstånd från oss, galaxen är också på avstånd från oss, men också, samtidigt, ett mycket stort avstånd från kvasaren. Så mycket att du inte förväntar dig någon förening; ingen gravitationsassociation, ingen elektromagnetisk, ingen fysisk koppling mellan galaxen som vi identifierar och kvasaren. Och detsamma gäller för gammastrålexperimentet. Gamma ray bursts är på stort avstånd från oss, vi ser galaxer mot det - de är på stort avstånd från oss, men också på ett stort avstånd från gamma ray burst. Och återigen har vi inga förhandsförväntningar på något fysiskt samband mellan den galaxen och gammastrålningen som ligger bakom den. Visst på ytan är det ganska fantastiskt, testet är ganska enkelt. Vår omedelbara reaktion är, okej, vad händer?
Det finns tre fördomar, eller förklaringar - i astronomin skulle vi kalla dem urval förinställningar. Och de tre viktigaste förklaringarna, de uppenbara förklaringarna, som kan ge dig detta resultat är först: damm. Galaxer har som sagt materia i tre faser: i stjärnor, gas och damm. De flesta galaxer, eller förmodligen alla galaxer, har damm i sig. Och den viktigaste aspekten av damm är att det släcker bakgrundskällan. Så du strö lite damm mellan dig och kvasaren, och du kommer att göra det svagare. Dessa galaxer har alla damm i sig, och du kan tänka dig att du faktiskt saknar kvasarer när du gör denna undersökning över hela himlen. Galaxer som har mycket damm i sig döljer kvasaren, och du kommer aldrig att titta på den. Det kommer aldrig att räknas in i ditt prov. Men gammastrålskurar, som upptäcks med ett helt annat tillvägagångssätt, med gammastrålar, skulle inte vara lika känsliga för detta damm - du skulle fortfarande potentiellt kunna upptäcka gammastrålbrast och räkna det i ditt prov. Så du skulle sluta med en överbelastning av föremål i gammastrålprovet, med frånvaro av kvasarer på grund av dammet. Anledningen till att vi inte tror att det är svaret är att vi har en god känsla för hur mycket damm galaxerna är, och det räcker inte för att ta bort tillräckligt med kvasarer från provet för att kompensera skillnaden med en faktor på 4.
Så det är förklaring nummer 1. Nummer 2 skulle vara att vårt a priori antagande, att gasen inte har något att göra med gammastrålningen eller att kvasaren är fel. Jag har sagt att den här gasen ligger långt från oss och från kvasaren och från gammastrålen. Förmodligen är det svåraste problemet inom astronomi faktiskt mäta avstånd. Jag mäter inte riktigt avståndet till gasen, jag mäter rödförskjutningen av gasen, och det ger mig en uppskattning av avståndet, under antagandet att rödförskjutningen beror på universums expansion. Riktigt redshift är bara en hastighet. Så jag mäter hastigheten på gasen, jag mäter hastigheten på gammastrålningen. Jag vet att de två är olika, som jag vet med absolut vetenskapligt faktum. Jag antar att skillnaden i hastigheter beror på universums expansion och därmed avståndet mellan objekten. Men det är möjligt att gammastrålskurarna faktiskt har sprutat ut denna gas under explosionen, säger, med mycket höga hastigheter så att den har en annan hastighet än själva gammastrålen, och det är anledningen till skillnaden i rödskift, och därmed får mig att säga att de har skillnadsavstånd. Så i ett nötskal är förklaringen till nummer 2 att gammastrålen skurar ut matar gas med mycket höga hastigheter och vi mäter den gasen och kallar den för en galax, när det faktiskt bara är gas som matas ut från gammastrålarna . Det är fortfarande ett genomförbart alternativ för tillfället. Motargumentet till det, och det är ett solidt är att vi i många fall inte bara har identifierat gasen utan också stjärnor från galaxen som måste vara värd för gasen. Så inte bara skulle gasen måste matas ut, utan en galax skulle behöva matas ut av gammastrålningen, och det börjar sträcka fantasin.
Så det leder till dörr nummer 3, vilket är gravitationslinsning. Galaxer, allt med massa, har en effekt genom att göra objekt bakom dem visuellt ljusare än de faktiskt är. Vi tror att vi har galaxer här, vi vet att vi har en masskoncentration, så det är mycket möjligt att de påverkar objektets ljusstyrka bakom dem och gör gammastrålar mycket ljusare än de annars skulle vara. Det främsta skälet till att vi ser gammastrålarna brister är att vi har en galax där. Vi behöver galaxen där för att se gammastrålen brista. Och det är en selektionseffekt där om vi inte hade en galax, skulle vi inte se den, och det leder till en överflöd av kvasarer, där kvasarerna kanske är tillräckligt ljusa utan galaxerna. Och gravitationslinser, som du förmodligen kan säga, är inte något jag har arbetat med direkt, men experterna på området säger att det inte är en trolig förklaring eller den dominerande förklaringen till resultatet.
Fraser: Så du har lite slut på idéer.
Dr. Prochaska: Ja, vi har verkligen gått igenom de tre uppenbara, de som någon skulle komma med, och ändå har ganska starka motargument mot dem. En annan grupp kom med ännu en fjärde idé, som jag tycker var ganska smart, att kvasarer har en skillnadsstorlek än gammastrålbrott. Det är lite subtilt för hur det skulle kunna göra en stor skillnad, men de sa, kanske det är förklaringen, men vi och andra har kommit med riktigt starka motargument mot dörr nummer 4 på denna punkt. De 4 anständiga idéerna som har föreslagits har misslyckats med dem.
Fraser: Så vad är nästa då? Jag antar att du letar efter mer data.
Dr. Prochaska: Visst vill jag utesluta att gasen är förknippad med gammastrålningsbrister, det är att den skjuts ut ur gammastrålningsbristerna. Jag skulle verkligen vilja bevisa att man verkligen inte är sant, och sättet att göra det är att identifiera den verkliga galaxen och stjärnorna som är förknippade med gasen. Så människor i vårt team och andra lag kommer tillbaka och letar efter galaxen som faktiskt håller gasen. Om vi inte hittade galaxer, tror jag att det skulle ha mer trovärdighet för tanken att gasen släpptes ut av gammastrålningen. Så det finns verkligen arbete att göra för att studera de galaxer som är associerade. På samma linje kan vi dra slutsatsen hur mycket massa som finns i galaxerna och bättre testa gravitationslinshypotesen, liksom lära oss hur mycket damm som finns i galaxerna för att testa dammhypotesen. Även när jag spelar ner dem, och jag tror att det verkligen behöver oss att lära oss så mycket om galaxerna mot gammastrålarna för att se om det finns något roligt på gång, eller andra egenskaper som kan förklara resultatet. Den andra uppenbara saken att göra, och detta kommer att göras, är bara att vänta på att fler gammastrålar kommer att komma med och upprepa det experimentet på fler siktlinjer. Och så för närvarande finns det detta NASA Swift rymdteleskop i drift, där vi får tiotal kanske till och med 100-talet fler gammastrålar som vi kan upprepa det här experimentet på och mycket räkna ut hur statistiskt betydande det är.
Fraser: Finns det någon slags idé som du tror kan vara möjlig?
Dr. Prochaska: Jag är säker på att det kommer att finnas papper skrivna på samma sätt. Det kommer inte att vara mitt favoritalternativ för tillfället. Men jag är en forskare, jag är en realist. Vi har tagit med oss meddelandet om att det finns detta märkliga fynd, och vi tittade väldigt hårt på hur vi gjorde studien, vi gjorde äpplen till äpplen efter bästa förmåga, och jag tror att vi gjorde ett bra jobb med det. Det är typ av steg 1. Steg 2, som observatör, känner jag att jag borde kunna förklara resultatet när vi har det. Som sagt, vi kom med de tre idéerna, och tyvärr tror jag inte att någon av dem har fastnat just nu. Om jag kan döda alla idéer, och om resultatet håller bra med de kommande 50 gammastrålarna, måste du vid den punkten gå tillbaka till dina ursprungliga antaganden; en av dem är kosmologi som vi känner till. Jag säger att jag är någonstans nära det, men ge mig två år och om saker och ting inte förändras från vad vi ser, ja, jag tror att du måste gå tillbaka till steg 0 i din rad antaganden om universum.
