Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: odkrývanie vesmíru pri najvyšších energiách Understand article

Preložila Alena Gintnerová. Claudia Mignone a Rebecca Barnes skúmajú röntgenové žiarenie a gama žiarenie a vyšetrujú dômyselné techniky, ktoré Európska agentúra pre vesmír (European Space Agency) používa na pozorovanie vesmíru pri týchto vlnových dĺžkach.

Či už ju pozorujeme voľným okom, ďalekohľadom, alebo teleskopom, hviezdna nočná obloha poskytuje ohromný a upokojujúci pohľad. Ale ak by sme sa mohli pozrieť na oblohu vo vysokoenergetických röntgenových a gama lúčoch a nie vo viditeľnom svetle, ktoré vnímajú naše oči, obraz, ktorý by sme videli by bol veľmi odlišný – dramatická vesmírna svetelná šouw1 (Obrázok 1).

Obrázok 1: Hore: obraz celej oblohy pri vysokoenergetických röntgenových vlnových dĺžkach z ESA vesmírneho observatória INTEGRAL, založený na údajoch zozbieraných v oblastiach energií 18-40 keV (viditeľné svetlo korešponduje s 1.65–3.1 eV). Dole: obraz celej oblohy vo viditeľných vlnových dĺžkach. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázky so súhlasom ESA / F Lebrun / CEA Saclay, Service d’Astrophysique (hore); ESO / S Brunier (dole)
Obrázok 2: Zvyšok supernovy
Tycho zobrazený podľa ESA
XMM-Newton. Tento zvyšok
je relatívne mladý a je
spojený s výbuchom
supernovy, ktorý bol
pozorovaný v roku 1572
dánskym astronómom
Tychom Brahe. Kliknutím na
obrázok ho zväčšite

Obrázok so súhlasom Marco
Iacobelli (XMM-Newton SOC)
and ESA

Niektoré z najsilnejších a najintenzívnejších javov vo Vesmíre pri týchto krátkych vlnových dĺžkach jasne žiaria, napríklad výbuchy supernov – ohnivý záver života nejakej obrovskej hviezdy – a čierne diery rýchlo pohlcujúce hmotu. Ako prejav svojej dynamickej podstaty mnohé zdroje röntgenových lúčov a gama lúčov vykazujú zreteľné zmeny vo svojej jasnosti, dokonca aj vo veľmi krátkych časových úsekoch. Napríklad výbuchy gama žiarenia sa objavujú ako náhle jasné záblesky, ktoré trvajú len niekoľko sekúnd. Tieto výbuchy pochádzajú z asi najsilnejších explózií vo vesmíre (aby ste sa dozvedeli viac, pozrite Boffin, 2007). Naviac röntgenové lúče a gama lúče sú uvoľňované pri iných fyzikálnych procesoch ako tých, ktoré sú zodpovedné za emisiu viditeľného svetla. Toto znamená, že galaxie a iné astronomické objekty vyzerajú inak keď sú zobrazené pri energiách z vysokoenergetického konca elektromagnetického (EM) spektraw2 (Obrázky 2 a 3).

Obrázok 3: Cigaretová galaxia (M82), zobrazená podľa XMM-Newtona, vo viditeľných a ultrafialových (UV) vlnových dĺžkach (vložené vľavo) a pri röntgenových vlnových dĺžkach (vložené vpravo). Hlavný obrázok je zložený z obrázkov pri viditeľných, UV a RTG vlnových dĺžkach. Emisia röntgenových lúčov je zobrazená modrou farbou a odhaľuje oblaky veľmi horúceho plynu vybuchujúceho z kotúča galaxie. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom ESA

Tento revolučný obraz vesmíru bol astronómom odhalený v skorých 1960-tych rokoch, so začiatkom vesmírneho veku, keď rakety a satelity umožnili vynesenie špeciálne vyvinutých prístrojov za zahmlievajúcu bariéru zemskej atmosféryw3. Európska agentúra pre vesmír (European Space Agency – ESA; viď rámček)w4 sa čoskoro pridala s misiou gama žiarenia COS-B (1975) a röntgenovým observatóriom EXOSAT (1983). Dnes ESA riadi dve také observatóriá: röntgenový multi-zrkadlový satelit (XMM-Newton), vypustený v roku 1999 a Medzinárodné laboratórium astrofyziky gama žiarenia (INTEGRAL), vypustené v roku 2002.

Ako fungujú? Ako sme vysvetľovali v predošlom článku (Mignone & Barnes, 2011), röntgenové žiarenie, gama žiarenie, viditeľné svetlo a iné typy EM žiarenia sa nedajú fyzikálne rozlíšiť. Všetky sú formy svetla, líšia sa iba vlnovou dĺžkou (alebo ich frekvenciou alebo energiou, pretože tieto tri veci spolu súvisia; Obrázok 4). Avšak v závislosti od ich vlnovej dĺžky (alebo frekvencie, alebo energie), veľmi rozdielne interagujú s hmotou. Toto má veľké dôsledky pre astronómiu.

Obrázok 4: Schéma EM spektra zvýrazňujúca RTG-lúče a gama lúče, s vyznačením vlnovej dĺžky, frekvencií a energií. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom ESA / AOES Medialab

Tradičné optické systémy, ako naše oči, kamery, mikroskopy alebo teleskopy, fungujú vďaka šošovkám (alebo zrkadlám), ktoré lámu (alebo odrážajú) svetelné lúče a fokusujú (sústreďujú) ich do jedného bodu, aby vytvorili obraz. Toto je však pri niektorých svetelných lúčoch zložité. Pretože röntgenové lúče majú vlnové dĺžky podobných veľkostí ako atómy a gama lúče ako subatomárne častice, nedajú sa tak ľahko odraziť alebo fokusovať ako viditeľné svetlo, ale namiesto toho, keď narazia na hustejšie materiály majú skôr tendenciu byť absorbované (Obrázok 5).

Obrázok 5: Svetelné lúče narážajúce na povrch budú absorbované, ak ich energia je vyššia než určitá prahová hodnota, ktorá závisí od povrchu materiálu. Táto energia absorbovaného svetla je prenesená na elektróny v materiále, ktoré sú potom vyžiarené. Tento jav známy ako fotoelektrický efektw5, je jeden z niekoľkých javov, ktoré nastávajú, keď vysokoenergetické žiarenie interaguje s hmotou. Ak chcete tento predmet učiť v škole s použitím dramatizácie, pozrite Bernardelli (2010). Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom ESA / AOES Medialab

Fakt, že röntgenové lúče a gama lúče sú absorbované hustými materiálmi, ich robí vhodnými na mnohé aplikácie, zahŕňajúce lekárske zobrazovanie a skúmanie materiálov. Avšak pre astronómov je to problém: pretože sú ľahko absorbované, je veľmi ťažké alebo nemožné tieto typy žiarenia fokusovať; teda získať ostrý obraz ich zdrojov je zložitý problém.

Napriek tomu vedci vyvinuli techniky na detekovanie röntgenových lúčov a gama lúčov prichádzajúcich z kozmu. Veľmi sa líšia od techník používaných v tradičnej optike a to, spolu s faktom, že pracujú vo vesmíre, znamená, že teleskopy pre vysokoenergetickú astronómiu vôbec nevyzerajú ako optické teleskopy.

Pozorovacie techniky pre röntgenové žiarenie

Skákajúce kamienky
Obrázok so súhlasom Killy
Ridols; zdroj obrázka:
Wikimedia Commons

Hoci je ťažké odraziť röntgenové lúče, nie je to nemožné, ak narazia na zrkadlo teleskopu pod veľmi malým uhlom – spomeňte si na kamienky kĺžúce sa po povrchu vody. Avšak, ak dopadový uhol 20° umožní kamienkom skákať, röntgenové lúče môžu byť odrazené len pri omnoho menších uhloch: 1° alebo ešte menej. Röntgenové lúče musia sotva škrabnúť o zrkadlo, lebo inak je pravdepodobné, že budú absorbované.

Aby sme dosiahli taký malý uhol – a sústredili röntgenové lúče do jediného bodu – zrkadlá používané v RTG teleskopoch vyzerajú skoro ako lievik (Obrázok 6). V skutočnosti tvar zrkadla je kombináciou paraboloidu a hyperboloidu, čo zabezpečuje, že tie röntgenové lúče, ktoré oň škrabnú sú odrazené dvakrát. Týmto spôsobom je svetlo fokusované na detector, aby vytvorilo obraz RTG zdroja.

Obrázok 6:
a) Svetelná dráha röntgenových lúčov cez XMM-Newton. Táto kozmická loď nesie tri teleskopy, každý pozostáva z 58 do seba vložených , zlatom pokrytých tunelovitých zrkadiel.
b) Na priereze jedného z teleskopov je ukázaná kombinácia použitých parabolických a hyperbolických zrkadiel.
c) Röntgenové lúče, ktoré škrabnú o zrkadlové povrchy sú dvakrát odrazené a fokusované na detektor. Röntgenové lúče musia škrabnúť o zrkadlo pri 1° alebo ešte menších uhloch, alebo je pravdepodobné, že budú absorbované. Kliknutím na obrázok ho zväčšite

Obrázok so súhlasom ESA / AOES Medialab
Obrázok 7: Do seba vložené
zrkadlá, ktoré vytvárajú
jeden z troch teleskopov na
palube XMM-Newton

Obrázok so súhlasom ESA

Táto geniálna technika po anglicky nazývaná “grazing incidence optics”, má jednu hlavnú nevýhodu: aby röntgenové lúče mohli byť odrazené a fokusované, musia prechádzať takmer paralelne s tunelovitými zrkadlami, takže tieto teleskopy zbierajú len obmedzené množstvo röntgenového žiarenia. Silný teleskop je taký, ktorý zbiera veľké množstvo svetla zo vzdialených kozmických zdrojov; toto je obyčajne dosiahnuté veľmi veľkými zrkadlami. Na rozdiel od toho röntgenové teleskopy majú pre zväčšenie svojej sily niekoľko zrkadiel vložených do seba, čo vytvára štruktúru, ktorá pripomína obrovský pór. Každý z troch teleskopov na palube XMM-Newton vesmírneho observatória ESA napríklad pozostáva z 58 do seba vložených zrkadiel (Obrázok 7)w6.

Okrem svojho bizarného vzhľadu zrkadlá XMM-Newton sa líšia od zrkadiel konvenčných teleskopov aj tým, že sú vyrobené zo zlatom pokrytého niklu namiesto hliníkom pokrytého skla: ťažšie prvky s väčšou pravdepodobnosťou odrážajú prichádzajúce röntgenové lúče (ak sa chcete dozvedieť viac, pozrite Singh, 2005).

Pozorovacie techniky pre gama žiarenie

Obrázok 8a) Umelecké
zobrazenie INTEGRALu,
zvýrazňujúce SPI, jeden z
prístrojov s kódovou maskou,
ktorý sa nachádza na palube
tejto vesmírnej lode.
Kliknutím na obrázok ho
zväčšite

Obrázok so súhlasom ESA /
AOES Medialab

Ak je fokusovanie röntgenových lúčov náročné, fokusovanie gama lúčov – najenergetickejšej formy svetla – je takmer nemožné. Aby astronómovia vytvorili obrazy kozmických zdrojov v tejto oblasti EM spektra, museli nájsť alternatívne metódy.

Mnoho prístrojov pre astronómiu gama žiarenia, vrátane tých na palube vesmírneho observatória ESA INTEGRAL, funguje pomocou techniky nazývanej zobrazovanie pomocou kódovej masky. Táto pracuje podobne ako dierková kamera, ktorá nemá šošovky, len malú dierku, cez ktorú prechádzajú svetelné lúče a vytvárajú obraz na opačnej stene kamery.

Obrázok 8b) Ako funguje
kamera s kódovou maskou:
gama žiarenie z dvoch
rôznych astronomických
zdrojov prechádza cez diery
masky. Niektoré z
dopadajúcich gama lúčov
môžu prejsť cez masku a
ožiariť pixely na detektore
dolu (ukázané modrou a
červenou farbou v závislosti
od zdroja), kým iné sú
zablokované nepriehľadnými
miestami masky a vrhajú
tiene na detektor (ukázané
bielou farbou). Kliknutím na
obrázok ho zväčšite

Obrázok so súhlasom ESA /
AOES Medialab

Namiesto jedinej dierky dierkovej kamery, kamera s kódovou maskou má pred detektorom masku so špeciálnym vzorom dierok a nepriehľadných miest. Gama lúče, ktoré prechádzajú cez dierky, osvetľujú niektoré pixely na detektore, kým iné gama lúče sú blokované nepriehľadnými miestami masky a vrhajú tiene na detektor.

Vzorka jasných a tmavých pixelov obsahuje informáciu o lokalizácii zdrojov gama žiarenia na oblohe a intenzita ožiarených pixelov dáva informáciu o ich jasnostiw7. AHoci nie sú detailné, výsledné obrazy sú užitočné pri skúmaní niektorých najsilnejších javov vo Vesmíre (Obrázky 8a a 8b, 9 a 10).

Obrázok 9: Obrázky intermitentného zdroja IGR J16328-4726 (zakrúžkované) z observatória INTEGRAL. Tento astronomický zdroj bol INTEGRALom monitorovaný niekoľko rokov v oblasti energií 20-50 keV. Ako môžeme vidieť, jasnosť zdroja sa významne mení s časom. Astronómovia veria, že tento zdroj je binárny systém pozostávajúci z hviezdy veľkosti super obra a nejakého kompaktného objektu, ako neutrónová hviezda alebo čierna diera, ktoré sa navzájom obiehajú (po anglicky “supergiant fast X-ray transient” (SFXT)). Predpokladá sa, že intermitentnú podstatu týchto zdrojov spôsobuje nepravidelný tok hmoty zo superobrej hviezdy do kompaktného objektu. Kliknutím na obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom ESA / INTEGRAL / M Fiocchi
Obrázok 10: Umelecký
pohľad na SFXT. Kliknutím na
obrázok ho zväčšite

Obrázok so súhlasom ESA

Pokračovanie nabudúce…

Počas toho ako čítate tento článok, observatóriá ESA XMM-Newton a INTEGRAL obiehajú Zem, dozerajú na stále sa meniaci vysokoenergetický Vesmír a pomáhajú odkrývať nebeské divy. V našom ďalšom článku odhalíme niektoré z týchto javov, ako napríklad turbulentný život a smrť hviezd v Mliečnej ceste a gigantické čierne diery vzdialených galaxií.

 

Viac o ESA

Európska vesmírna agentúra (The European Space Agency (ESA)w4) je európskou bránou do vesmíru, ktorá organizuje programy, ktoré umožňujú zistiť viac o Zemi, jej najbližšom vesmírnom okolí, našej slnečnej sústave a o vesmíre, a tiež spolupracovať v dobývaní vesmíru človekom, vyvíjať technológie a služby založené na satelitoch a propagovať európsky priemysel.

Vedenie vedeckého a robotického výskumu sa venuje vesmírnemu vedeckému programu ESA a robotickému výskumu slnečnej sústavy. V pátraní po pochopení vesmíru, hviezd a planét, a o pôvode samotného života, vesmírne vedecké satelity ESA pozerajú do hĺbok vesmíru a na najvzdialenejšie galaxie, študujú Slnko v doteraz nevídaných detailoch a objavujú našich planetárnych susedov.

ESA je členom EIROforumw8, vydavateľa Science in School.

 

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • ESA vysielania “video on demand”, odhaľujú Vesmír očami flotily vesmírnych lodí ESA. Epizóda 5, (‘Neskrotený, divoký vesmír’), ponúka náhľad do horúceho, energetického a často divokého vesmíru a na tie misie ESA, ktoré ho zachytili použitím röntgenovej astronómie a astronómie gama žiarenia. Pozrite: http://sci.esa.int/vodcast

Institution

ESA

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgicko pre ESA – European Space Agency ( Európsku vesmírnu agentúru), je vedecká spisovateľka pre ESA. Má diplom v astronómii z University of Bologna, Taliansko, a PhD v kozmológii z University of Heidelberg, Nemecko. Pred príchodom do ESA, pracovala v kancelárii pre styk s verejnosťou Európskeho vesmírneho observatória (ESO).

Rebecca Barnes, HE Vesmírne operácie pre ESA – Európsku vesmírnu agentúru , je úradníkom pre vzdelávanie Vedenia vedeckého a robotického výskumu ESA . Má diplom vo fyzike a astronómii z University of Leicester, UK (Veľká Británia), a predtým pracovala v oddeleniach pre vzdelávanie a vesmírnu komunikáciu UK’s National Space Centre(Národného vesmírneho centra Veľkej Británie). Ak sa chcete dozvedieť viac o vzdelávacích aktivitách Vedenia vedeckého a robotického výskumu ESA, kontaktujte Rebeccu na SciEdu@esa.int

 


Review

Tento článok jednoducho a zrozumiteľne vysvetľuje ako sú pomocou moderných vesmírnych teleskopov zbierané röntgenové a gama lúče z vesmírnych zdrojov a poskytuje niektoré dramatické obrázky.

Pre učiteľov prírodných vied na základných školách článok poskytuje motiváciu na postavenie modelu teleskopu na hodine, napríklad s využitím recyklovaných materiálov – alebo s použitím stiahnuteľných satelitných modelov na webovej stránke ESAw4. Farebné obrázky tiež môžu poslúžiť na triednu výstavku.

Učitelia prírodných vied alebo fyziky na stredných školách (študenti vo veku 11 až 16 rokov) môžu použiť link na tému techniky zobrazovania pomocou gama žiarenia s využitím dierkovej kamery. Na hodinách optiky by toto bolo vhodné zdôraznenie toho, že aj dierková kamera, aj kamera s kódovou maskou pracujú bez optických šošoviek.

Obrázky z observatóriíw4 ESA by mohli vhodne podporiť výučbu pozorovania vesmíru a pomôcť študentom zoznámiť sa s rôznymi astronomickými javmi (napr. galaxiami, čiernymi dierami, supernovami, neutrónovými hviezdami alebo anihiláciou hmoty a antihmoty), o ktorých sa zmieňujeme v článku. Tiež by ich mohli povzbudiť do robenia nejakého vlastného výskumu v rámci školských osnov v príbuzných oblastiach.

Pre učiteľov starších študentov by bolo zaujímavé diskutovať o typoch teleskopov pre vysokoenergetickú astronómiu, ktoré sú na palube vesmírnych observatórií XMM-Newton a INTEGRAL, a o technikách použitých na filtrovanie dát, kým nie sú obrázky úplne extrahované (toto by mohlo byť spojené s IT hodinami). Študenti by mohli porovnať štruktúru teleskopov vysokoenergetického konca spektra a optických teleskopov, a skúmať problémy, na ktoré narážame pri ich stavbe.


Stephanie Maggi-Pulis, Malta




License

CC-BY-NC-ND