Ami szemmel csak részben látható: a kozmosz kutatása nagyobb energiákon Understand article

Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna. Claudia Mignone és Rebecca Barnes bemutatja azt a röntgen- és gammasugárzás észlelésén alapuló technikát, amelyet az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) a kozmosz felfedezésére használ.

Ha a csillagos eget szabad szemmel, messzelátóval vagy teleszkóppal nézzük, lenyűgöző és megnyugtató látványban van részünk. Azonban ha a látható fény helyett a nagyobb energiájú röntgen- vagy gammasugár tartományban tanulmányozzuk az eget, akkor ettől nagyon eltérő képet látunk – egy drámai kozmikus fénybemutatótw1 (1. ábra).

1.ábra: fent: az egész ég képe nagyenergiájú röntgensugár tartományban az ESA INTEGRAL űr-obszervatórium 18-40 keV energiatartományban gyűjtött adatai alapján. (A látható fény energiája 1.65–3.1 eV között van.) Lent: az egész ég képe a látható fény hullámhosszán. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képeket ESA / F Lebrun / CEA Saclay, Service d’Astrophysique (fent); ESO / S Brunier (lent) szíves hozzájárulásával közöljük
2. ábra: A Tycho szupernóva
maradványai, ahogy az ESA
XMM-Newton műholdja látta.
Ezek a maradványok aránylag
fiatalok, és ahhoz a
szupernóva robbanáshoz
kapcsolhatók, amelyet a dán
csillagász, Tycho Brahe
figyelt meg 1572-ben. A
nagyobb méretű változatért
kattintson a képre

A képet Marco Iacobelli
(XMM-Newton SOC) és az ESA
szíves hozzájárulásával
közöljük

Az Univerzumban a leghevesebb jelenségek közül néhányat erőteljes sugárzás kísér a rövid hullámhosszú tartományban, például a szupernóva robbanást – a nagytömegű csillagok gyors halálát – és azt, amikor a fekete lyukak a környezetükből anyagot nyelnek el. Sok olyan röntgensugár és gammasugár forrás van, amelynél a sugárzás erőssége rövid időn belül jelentősen megváltozik, ez mutatja az objektumokban végbemenő folyamatok dinamizmusát. Például a gammasugár-kitörések csupán néhány másodpercig tartó fényes felvillanások. Ezek a kitörések a kozmoszban lejátszódó leghatalmasabb robbanásoknál jönnek létre (többet megtudhat a témáról: ld.: Boffin, 2007). A röntgensugár és a gammasugár, valamint a látható fény kibocsátása egymástól eltérő fizikai folyamatoknak köszönhető. Emiatt más a képe a galaxisoknak és egyéb csillagászati objektumoknak az elektromágneses (EM) spektrum nagyenergiájú végén, mint a látható fény tartománybanw2 (2. és 3. ábra).

3. ábra: A Szivar-galaxis (M82), ahogy az XMM-Newton látta. Látható fény és ultraibolya (UV) (baloldali kép) és röntgensugár (jobboldali kép) tartományban. A központi kép a három hullámhossz tartományban készített kép kompozíciója. A röntgensugárzás kék színűnek látszik, és a galaxis korongján kívülre kilövellt igen forró gázkitöréseket mutatja meg. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet ESA szíves hozzájárulásával közöljük

Az 1960-as években a kozmosz meglepően új látványa tárult fel a csillagászok előtt, amikor az űrkorszak kezdetével lehetővé vált, hogy a rakéták és mesterséges holdak segítségével különlegesen kifejlesztett eszközöket juttassanak fel a sugárzások egy részét eltakaró földi atmoszféraw3.fölé. Az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA, ld. a keretes írásunkat)w4 rövid időn belül csatlakozott a gammasugár misszióhoz COS-B (1975) és a röntgensugár megfigyeléshez EXOSAT (1983). Jelenleg az ESA két ilyen obszervatóriumot működtet: az 1999-ben felbocsátott X-ray Multi-Mirror (röntgensugár sok-tükrös, XMM-Newton) és a 2002-ben felbocsátott International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (Nemzetközi Gammasugár Asztrofizikai Laboratórium, INTEGRAL).

Hogyan működnek ezek a berendezések? Egy korábban közölt cikkünkben (Mignone & Barnes, 2011), magyarázatot találnak arról, hogy nincs fizikai különbség a röntgensugár, a gammasugár, a látható fény és az EM többi fajtája között. Mindegyik elektromágneses sugárzás, csupán a hullámhosszukban (és így a frekvenciájukban és az energiájukban, ld. a 4. ábrát) különböznek egymástól. Azonban a hhttp://www.scienceinschool.org/node/2831#overlay=node/2831/editullámhossztól (vagyis a frekvenciától vagy az energiától) függően különbözőképpen lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Ezt használják ki a csillagászok.

4. ábra: Az EM spektrum ábrája, kiemelve a röntgensugár és a gammasugár tartományt, a hullámhosszakkal, a frekvenciákkal és az energiákkal. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet ESA / AOES Medialab szíves hozzájárulásával közöljük

A tradicionális optikai rendszerek, mint például a szem, a kamerák, a mikroszkópok és a távcsövek működése azon alapul, hogy a bennük lévő lencsék (vagy tükrök) megtörik (vagy visszaverik) a fényt és így azt egy pontba gyűjtve képet alkotnak. Ezt azonban nehéz megvalósítani a röntgensugárral és a gammasugárral, ugyanis az atom átmérőjének méretével megegyező vagy annál kisebb hullámhosszuk miatt nehezen verődnek vissza és nehezen fókuszálhatók, ehelyett elnyelődnek, ha sűrűbb anyagot érnek el (5. ábra).

5. ábra: Amikor egy fénysugár elér egy felületet, akkor elnyelődik, ha az energiája nagyobb egy bizonyos értéknél. Ennek a határértéknek a nagysága a felszín anyagától függ. Az elnyelt fény energiáját az anyagban lévő elektronok felveszik és kilépnek az anyagból. Ez a jelenség, amelyet fotoelektromos jelenségnek neveznek, egy azok közül, amelyek akkor következnek bew5, amikor valamely nagyenergiájú sugárzás anyaggal lép kölcsönhatásba. Ha ezt az témát hatásosan akarja tanítani az iskolában, használja Bernardelli (2010) írását. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet ESA / AOES Medialab szíves hozzájárulásával közöljük

Az a tény, hogy a röntgensugarat és a gammasugarat az anyagok elnyelik, sokféle alkalmazást tesz lehetővé, többek között orvosi képalkotást és anyagvizsgálatot. A csillagászok számára azonban nagy problémát jelent, hogy ez a sugárzás könnyen elnyelődik, ezért nagyon nehéz vagy lehetetlen fókuszálni és éles képet alkotni a sugárzás forrásáról.

Ennek ellenére a tudósok kifejlesztettek olyan módszereket, amelyekkel lehet észlelni a kozmoszból érkező röntgensugarakat és gammasugarakat. Ez a technika azonban nagymértékben különbözik a tradicionális optikai eszközökétől; részben emiatt, részben pedig azért, mert ezek az űrben működnek, a kinézetük nagyon eltérő az optikai távcsövekétől.

A vízfelületről visszapattanó
kavics

A képet Killy Ridols szíves
hozzájárulásával közöljük; A
kép forrása: Wikimedia
Commons

A röntgensugárzást észlelő technikák

Bár nehéz elérni, hogy a röntgensugár visszaverődjön, de nem lehetetlen, ha a sugár a távcső tükrét egészen kis szögben éri – ez hasonló ahhoz, mint amikor a kavics a víz felületére kis szögben érkezik és visszapattan róla. A kő esetében már egy 20° –os szög elegendően kicsi, a röntgensugárnál viszont a beesési szög maximum 1° lehet. A röntgensugár vagy éppen csak súrolja a tükröt, vagy elnyelődik.

Ahhoz, hogy ilyen kis szöget tudjunk elérni – és fókuszálni tudjuk a röntgensugarat – a röntgensugár-távcsöveket úgy képezik ki, hogy egy tölcsérhez hasonlítsanak (6. ábra). Valójában a tükör felülete egy paraboloid és egy hyperboloid alakzat kombinációja, amely lehetővé teszi, hogy a tükröt súroló sugár kétszer visszaverődjön. Így a sugár fókuszálódik a detektorra és létrejön a röntgensugár-forrás képe.

6. ábra:
a) A röntgensugár útja az XMM-Newton műholdban. A műhold fedélzetén három teleszkóp van, amelyekbe egyenként 58 aranyozott felületű csőalakú tükröt helyeztek el egymásba építve.
b) Az egyik teleszkóp keresztmetszetéről készített kép a parabolikus és hiperbolikus tükrök kombinációját ábrázolja
c) A tükör felszínét súroló röntgensugár kétszer verődik vissza és a detektorra fókuszálódik. A sugárnak 1°-os vagy annál kisebb szögben kell elérnie a tükör felszínét, különben elnyelődik. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre

A képet ESA / AOES Medialab szíves hozzájárulásával közöljük
7. ábra: Az XMM-Newton
műhold fedélzetén lévő egyik
teleszkóp egymásba illesztett
tükrei

A képet ESA szíves
hozzájárulásával közöljük

A súroló beesést felhasználó különleges módszernek van egy nagy hátránya: annak érdekében, hogy visszaverődjön és fókuszálódjon a röntgensugár, a csőszerű tükörrel majdnem párhuzamosan kell haladnia, ezért ezek a teleszkópok a röntgensugárnak csak nagyon kis részét tudják összegyűjteni. Az optikai távcsövek közül azok az erősek, amelyek a távoli égi objektumok fényéből sokat gyűjtenek össze, ezt nagyon nagy méretű tükrökkel lehet elérni. A röntgen-távcsövek esetében úgy növelik a teljesítményt, hogy néhány tükröt egymásba illesztenek, ezzel egy óriási hagymára emlékeztető struktúrát hoznak létre. Például az ESA XMM-Newton műhold fedélzetén lévő három teleszkóp mindegyike 58 egymásba illesztett tükröt tartalmaz (7. ábra)w6.

Az XMM-Newton műhold tükrei, a különleges alakjuk mellett, abban is különböznek a megszokott teleszkóp-tükröktől, hogy nem alumínium bevonatú üvegből készültek, hanem arany bevonatú nikkelből, ugyanis a nehezebb elemek jobban visszaverik a beérkező röntgensugarakat (további információt talál: ld.: Singh, 2005).

A gammasugárzást észlelő technikák

8. ábra a) Egy képzőművész
elképzelése az INTEGRAL
fedélzetén lévő egyik kódolt
maszk kameráról. A nagyobb
méretű változatért kattintson
a képre

A képet ESA / AOES Medialab
szíves hozzájárulásával
közöljük

Míg a röntgensugarak fókuszálása kihívást jelent, addig a gammasugaraké – amelyek a legnagyobb energiájú elektromágneses sugarak – csaknem lehetetlen. Annak érdekében, hogy az elekromágneses sugárzás spektrumának ebben a tartományában képet tudjanak alkotni a kozmikus sugár-forrásokról, a csillagászoknak alternatív módszereket kell találniuk.

A gammasugár-csillagászat sok berendezése, többek között az ESA INTEGRAL űrobszervatóriuma, kódolt maszk detektorral alkot képet. Ez a lyukkamerához hasonlóan működik, amelyben nincs lencse, csak egy kis lyuk van rajta, amelyen keresztül bejut a fény és a szemben lévő falon fordított állású képet alkot.

8. ábra b) Így működik a
kódolt maszk kamera: két
különböző kozmikus
forrásból származó
gammasugár keresztülhalad
a maszkon lévő lyukakon. A
beeső gammasugarak egy
része keresztül tud haladni a
maszkon és megvilágítja az
alatta elhelyezett detektoron
lévő pixeleket (az ábrán kék
és piros színnel jelölve, a
forrástól függően), míg a
detektor többi részét
leárnyékolják a maszk
átlátszatlan foltjai (fehér
színnel jelölve). A nagyobb
méretű változatért kattintson
a képre

A képet ESA / AOES Medialab
szíves hozzájárulásával
közöljük

Azon a helyen, ahol egy lyukkameránál a lyuk található, a kódolt maszk kameránál egy maszk van speciális lyukmintázattal és a detektor előtt átlátszatlan foltokkal. A gammasugárnak az a része, amely a lyukakon halad keresztül, néhány pixelt megvilágít a detektoron, míg a detektor többi részét leárnyékolják a maszk átlátszatlan foltjai.

A világos és sötét pixelek mintázata információt tartalmaz arról, hogy az égen hol helyezkednek el a gammasugár-források, a világos pixelek megvilágításának intenzitása pedig a forrás erősségéről árulkodikw7. Bár nem látszanak a részletek, a létrehozott képek megmutatják az Univerzum leghevesebb jelenségeit (Figuras 8a és 8b, 9 és 10 ábrák).

9. ábra: Az INTEGRAL képei az IGR J16328-4726 váltakozó forrásról (bekarikázva). Az INTEGRAL ezt a kozmikus forrást néhány éven keresztül figyelte a 20-50 keV-es tartományban. Amint az a képen is jól látható, a forrás erőssége változik. A csillagászok úgy gondolják, hogy a forrás egy röntgensugárzást kibocsátó szuperóriás: kettős rendszer, amely egy nagyon fényes szuperóriás csillagból és egy kompakt objektumból, mint például egy neutron csillagból vagy egy fekete lyukból áll, amelyek egymás körül keringenek. Feltételezik, hogy amiatt, hogy a szuperóriás csillagból egyenetlen tempóban áramlik át az anyag a kompakt objektumba, ezek a források változó intenzitással sugároznak. A nagyobb méretű változatért kattintson a képre
A képet ESA / INTEGRAL / M Fiocchi szíves hozzájárulásával közöljük
10. ábra: Egy képzőművész
elképzelése a
röntgensugárzást kibocsátó
szuperóriásról. A nagyobb
méretű változatért kattintson
a képre

A képet ESA szíves
hozzájárulásával közöljük

Következik …

Amíg Ön olvassa ezt a cikket, az ESA XMM-Newton és INTEGRAL mesterséges holdjai a Föld körül keringenek és figyelik az örökké változó Univerzum nagy energiájú sugárzását és próbálják megfejteni az égi csodákat. A következő cikkünkben írunk néhány jelenségről, mint például a Tejút csillagainak dinamikus életéről és haláláról és a távoli galaxisok közepén lévő fekete lyukakról.

 

Információk az ESA-ról

A European Space Agency (ESA, Európai Űrügynökség)w4 biztosítja Európa számára az űrbe vezető utat, olyan kutatási programokat irányít, amelyek segítségével jobban megismerhetjük a Földet, a közvetlen környezetünket, a Naprendszert és az Univerzumot. A Földön túli világ megismerése érdekében közreműködik a műholdak fejlesztésében és működtetésében és támogatja az európai űripart.

A Directorate of Science and Robotic Exploration elkötelezett az ESA űrprogramjával és a Naprendszer robotokkal történő kutatásával kapcsolatban. Annak érdekében, hogy minél többet megtudjunk az Univerzumról, a csillagokról, a bolygókról és az élet keletkezéséről, az ESA űrkutatói az Univerzum mélyét, a legtávolabbi galaxisokat kémlelik, a naptevékenység eddig ismeretlen részleteit és a bolygószomszédainkat tanulmányozzák.

Az ESO tagja az EIROforumw8-nak, amely kiadja a Science in School-t.

 

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • The Science@ESA vodcastjai megmutatják a Világmindenséget az ESA felvételeinek felhasználásával. Az 5. epizódban (‘The untamed, violent Universe’, ‘A nyugtalan, vad Univerzum) pillantást vethetünk a forró, energikus és vad Univerzumra, és megismerhetjük az ESA missziót, amely feltárja azt, a röntgensugár és a gammasugár detektorok segítségével. Ld.: http://sci.esa.int/vodcast

Institution

ESA

Author(s)

Claudia Mignone, a Vitrociset Belgium for ESA – European Space Agency munkatársa, az ESA tudományos írója. Csillagászatból szerzett diplomát (University of Bologna, Olaszország) és kozmológiából PhD-t (University of Heidelberg, Németország). Mielőtt az ESA munkatársa lett, az ESO lakossági tájékoztatási hivatalában dolgozott.

Rebecca Barnes, a HE Space Operations for ESA – European Space Agency munkatársa, az ESA Science and Robotic Exploration Directorate oktatási hivatalnoka. Fizikából és asztrofizikából szerzett diplomát (University of Leicester, UK). Előzőleg a UK’s National Space Centre oktatási és kommunikációs részlegében dolgozott. Ha többet szeretne megtudni az ESA Science and Robotic Exploration Directorate tevékenységéről, lépjen kapcsolatba az intézménnyel: Rebecca at SciEdu@esa.int

 


Review

A cikk egyszerűen és érthetően megmagyarázza, hogy a modern űrteleszkópok segítségével hogyan gyűjtik össze a röntgensugarakat és a gammasugarakat a világűrben lévő forrásokból, és megkapó képeket közöl.

Az általános iskolai tanárok számára a cikk motívációt adhat arra, hogy a tanulókkal modell távcsövet készítsenek, akár újrafelhasználható anyagokból – vagy felhasználják as ESA weboldalárólw4. letölthető műhold modelleket. A színes illusztrációkat fel lehet használni az osztályterem dekorációjára.

A középiskolásokat (11-16 évesek) tanító természettudomány tanárok összekapcsolhatják a gammasugár észlelési technikákról szóló témát egy lyukkamera készítésével. Ez hasznos lehet az optika tárgyalásánál. Érdemes felhívni a tanulók figyelmét arra, hogy mind a lyukkamera, mind a kódolt maszk kamera optikai lencse nélkül működik.

Az ESA obszervatóriumw4 által készített felvételek tanulmányozása jó kiindulási alapot adhat az űrben alkalmazott észlelési technikák tárgyalásához. Segít megismertetni a cikkben említett különböző csillagászati alapfogalmakat (pl.: galaxis, feketelyuk, szupernóva, neutroncsillag, vagy az anyag és az antianyag annihilációja). A diákot bátorítja arra, hogy a tantervben szereplő ezzel összefüggő témakörrel kapcsolatban önálló kutatást végezzen.

Az idősebb tanulókat tanító tanárok számára érdekesek lehetnek a nagyenergiájú sugárzást érzékelő teleszkópok, amelyek az XMM-Newton és az INTEGRAL űrjárművek fedélzetén megtalálhatók és az a technika is, amelyet az adatok szűrésére használnak, amíg a képeket teljesen kinyerik (ez kapcsolható az IT órák anyagához is). A diákok összehasonlíthatják a spektrum nagyenergiájú részének észleléséhez használt teleszkópokat az optikai távcsövekkel és megvizsgálhatják azokat a különbségeket, amelyeket figyelembe kell venni ezek építésénél.


Stephanie Maggi-Pulis, Málta




License

CC-BY-NC-ND