Przestrzeń nie jest jednorodną niczym. Pomiędzy różnymi obiektami unoszą się chmury gazu i pyłu. Są pozostałościami po wybuchach supernowych i miejscem formowania się gwiazd. W niektórych obszarach ten gaz międzygwiazdowy jest wystarczająco gęsty, aby rozchodzić się fale dźwiękowe, ale nie są one podatne na ludzki słuch.
Czy w kosmosie słychać dźwięk?
Kiedy obiekt się porusza - czy to wibracje struny gitary, czy wybuchający fajerwerk - oddziałuje na pobliskie cząsteczki powietrza, jakby je popychał. Te molekuły zderzają się z sąsiadami, a te z kolei z kolejnymi. Ruch rozchodzi się w powietrzu jak fala. Kiedy dociera do ucha, osoba odbiera to jako dźwięk.
Kiedy fala dźwiękowa przechodzi przez powietrze, jej ciśnienie zmienia się w górę iw dół, jak woda morska podczas burzy. Czas pomiędzy tymi wibracjami nazywany jest częstotliwością dźwięku i jest mierzony w hercach (1 Hz to jedna oscylacja na sekundę). Odległość między najwyższymi szczytami ciśnienia nazywana jest długością fali.
Dźwięk może rozchodzić się tylko w ośrodku, w którym długość fali nie przekraczaśrednia odległość między cząstkami. Fizycy nazywają to „warunkowo swobodną drogą” – średnią odległość, jaką pokonuje cząsteczka po zderzeniu z jedną i przed interakcją z drugą. W ten sposób gęsty ośrodek może przenosić dźwięki o krótkich falach i odwrotnie.
Dźwięki o długich falach mają częstotliwości, które ucho odbiera jako niskie tony. W gazie o średniej swobodnej drodze większej niż 17 m (20 Hz) fale dźwiękowe będą miały zbyt niską częstotliwość, aby mogły być odbierane przez ludzi. Nazywane są infradźwiękami. Gdyby istnieli kosmici z uszami, którzy słyszą bardzo niskie tony, wiedzieliby na pewno, czy dźwięki mogą być słyszane w przestrzeni kosmicznej.
Pieśń o czarnej dziurze
W odległości około 220 milionów lat świetlnych, w centrum gromady tysięcy galaktyk, supermasywna czarna dziura wydaje najniższy dźwięk, jaki wszechświat kiedykolwiek słyszał. 57 oktaw poniżej środkowego C, czyli około milion miliardów razy głębiej niż ludzki słuch.
Najgłębszy dźwięk, jaki ludzie mogą usłyszeć, ma cykl około jednej wibracji na 1/20 sekundy. Czarna dziura w konstelacji Perseusza ma cykl około jednej oscylacji na 10 milionów lat.
Wyszło to na jaw w 2003 roku, kiedy Kosmiczny Teleskop NASA Chandra odkrył coś w gazie wypełniającym Gromadę Perseusza: skoncentrowane pierścienie światła i ciemności, jak zmarszczki w stawie. Astrofizycy twierdzą, że są to ślady fal dźwiękowych o niewiarygodnie niskiej częstotliwości. jaśniej -są to wierzchołki fal, gdzie ciśnienie gazu jest największe. Ciemniejsze pierścienie to zagłębienia, w których ciśnienie jest niższe.
Dźwięk, który możesz zobaczyć
Gorący, namagnesowany gaz wiruje wokół czarnej dziury, jak woda wokół odpływu. Gdy się porusza, wytwarza silne pole elektromagnetyczne. Wystarczająco silny, aby przyspieszyć gaz w pobliżu krawędzi czarnej dziury prawie do prędkości światła, zamieniając go w ogromne wybuchy zwane relatywistycznymi dżetami. Zmuszają gaz do obracania się na boki, a ten efekt powoduje niesamowite dźwięki z kosmosu.
Podróżują przez Gromadę Perseusza setki tysięcy lat świetlnych od ich źródła, ale dźwięk może podróżować tylko tak długo, jak jest wystarczająca ilość gazu, aby go przenieść. Zatrzymuje się więc na krawędzi obłoku gazu wypełniającego gromadę galaktyk Perseusza. Oznacza to, że na Ziemi nie da się usłyszeć jego dźwięku. Widać tylko efekt na chmurze gazu. Wygląda jak patrzenie w przestrzeń przez dźwiękoszczelną kamerę.
Dziwna planeta
Nasza planeta wydaje głęboki jęk za każdym razem, gdy porusza się jej skorupa. Wtedy nie ma wątpliwości, czy dźwięki rozchodzą się w przestrzeni. Trzęsienie ziemi może wywoływać wibracje w atmosferze o częstotliwości od jednego do pięciu Hz. Jeśli jest wystarczająco silny, może wysyłać fale poddźwiękowe przez atmosferę w przestrzeń kosmiczną.
Oczywiście nie ma wyraźnej granicy, gdzie kończy się atmosfera ziemska, a zaczyna kosmos. Powietrze stopniowo staje się rzadsze, aż w końcuznika całkowicie. Od 80 do 550 kilometrów nad powierzchnią Ziemi średnia swobodna droga cząsteczki wynosi około kilometra. Oznacza to, że powietrze na tej wysokości jest około 59 razy cieńsze niż byłoby to możliwe do usłyszenia. Może przenosić tylko długie fale infradźwiękowe.
Kiedy trzęsienie ziemi o magnitudzie 9,0 wstrząsnęło północno-wschodnim wybrzeżem Japonii w marcu 2011 r., sejsmografy na całym świecie zarejestrowały jego fale przechodzące przez Ziemię, a wibracje spowodowały drgania o niskiej częstotliwości w atmosferze. Wibracje te dotarły aż do miejsca, w którym pole grawitacyjne Europejskiej Agencji Kosmicznej i stacjonarny satelita Ocean Circulation Explorer (GOCE) porównują grawitację Ziemi na niskiej orbicie z odległością 270 kilometrów nad powierzchnią. A satelita był w stanie zarejestrować te fale dźwiękowe.
GOCE ma na pokładzie bardzo czułe akcelerometry, które sterują silnikiem jonowym. Pomaga to utrzymać satelitę na stabilnej orbicie. 11 marca 2011 r. akcelerometry GOCE wykryły pionowe przesunięcie w bardzo cienkiej atmosferze wokół satelity, a także falujące zmiany ciśnienia powietrza, gdy rozchodzą się fale dźwiękowe z trzęsienia ziemi. Silniki satelity skorygowały przesunięcie i zapisały dane, które stały się czymś w rodzaju nagrania infradźwiękowego trzęsienia ziemi.
Ten wpis został sklasyfikowany w danych satelitarnych, dopóki zespół naukowców kierowany przez Rafaela F. Garcię nie opublikował tego dokumentu.
Pierwszy dźwięk wwszechświat
Gdyby można było cofnąć się w czasie, do około 760 000 lat po Wielkim Wybuchu, można by dowiedzieć się, czy w kosmosie jest dźwięk. W tym czasie wszechświat był tak gęsty, że fale dźwiękowe mogły swobodnie podróżować.
Mniej więcej w tym samym czasie pierwsze fotony zaczęły podróżować w przestrzeni jako światło. Potem wszystko w końcu ostygło na tyle, aby cząstki subatomowe skondensowały się w atomy. Przed ochłodzeniem wszechświat był wypełniony cząsteczkami naładowanymi – protonami i elektronami – które pochłaniały lub rozpraszały fotony, czyli cząsteczki tworzące światło.
Dzisiaj dociera do Ziemi jako słaba poświata mikrofalowego tła, widoczna tylko dla bardzo czułych radioteleskopów. Fizycy nazywają to promieniowaniem reliktowym. To najstarsze światło we wszechświecie. Odpowiada na pytanie, czy w przestrzeni jest dźwięk. CMB zawiera nagranie najstarszej muzyki we wszechświecie.
Światło, aby pomóc
W jaki sposób światło pomaga nam rozpoznać dźwięk w kosmosie? Fale dźwiękowe rozchodzą się w powietrzu (lub gazie międzygwiazdowym) jako wahania ciśnienia. Gdy gaz jest sprężony, robi się gorętszy. W skali kosmicznej zjawisko to jest tak intensywne, że powstają gwiazdy. A kiedy gaz rozszerza się, ochładza się. Fale dźwiękowe rozchodzące się we wczesnym Wszechświecie powodowały niewielkie wahania ciśnienia w środowisku gazowym, które z kolei pozostawiały subtelne wahania temperatury odbijane w kosmicznym mikrofalowym tle.
Korzystanie ze zmian temperatury, fizykaUniversity of Washington John Kramer zdołał przywrócić te upiorne dźwięki z kosmosu - muzykę rozszerzającego się wszechświata. Pomnożył częstotliwość 1026 razy, aby ludzkie uszy mogły go usłyszeć.
Więc nikt tak naprawdę nie słyszy krzyku w kosmosie, ale będą fale dźwiękowe przemieszczające się przez chmury gazu międzygwiazdowego lub w rozrzedzonych promieniach zewnętrznej atmosfery Ziemi.
