Náš vesmír v záři paprsků gama

29 Čvn

Comptonova observatoř pro pozorování paprsků gama byla hned po Hubbleově vesmírném teleskopu druhou z velkých observatoří vyslaných na oběžnou dráhu. Při váze sedmnácti tun byl Compton – vypuštěný z raketoplánu Atlantis 5. dubna 1991 – vůbec nejtěžší astrofyzikální sondou své doby vynesenou do vesmíru. Na rozdíl od Hubbleu, jehož přístroje operují s viditelnými a ultrafialovými vlnovými délkami, byl Compton vybaven čtyřmi přístroji zachycujícími vysokoenergetické záření paprsků gama. Po devíti letech práce byl úspěšně stažen z oběžné dráhy a vrátil se do atmosféry 4. června 2000.

Compton byl vybaven čtyřmi přístroji, které dokázaly pracovat v dříve nepředstavitelném rozsahu elektromagnetického spektra od 30 keV do 30 GeV. Podle pokrytí spektrální energie to byly: Experiment se zášlehovými a přechodnými zdroji (Burst And Transient Source Experiment – BATSE), Experiment s orientovaným spektrometrem scintilací (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment – OSSE), Snímací Comptonův teleskop (Imaging Compton Telescope – COMPTEL) a Experimentální teleskop pro energetické záblesky paprsků gama (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope – EGRET). Každý z těchto přístrojů dosahoval výsledků desetkrát lepších než přístroje používané během předchozích měření. Comptonova observatoř zajišťovala rozličná vědecká sledování, mezi něž patřilo studium vesmírných úkazů provázených nejvyšší energií: slunečních výtoků, záblesků paprsků gama, pulzarů, výbuchů nov a supernov, hromadění hvězdné hmoty v černých dírách, emisí kvasarů a vzájemného působení kosmických paprsků v mezihvězdném prostředí. Observatoř byla pojmenována na počest Dr. Arthura H. Comptona, který získal Nobelovu cenu za fyziku za práci na rozptylu vysokoenergetických fotonů pomocí elektronů, což je základní postup technologie měření paprsků gama ve všech čtyřech přístrojích.

BATSE

Experiment se zášlehovými a přechodnými zdroji sloužil jako prostorový monitor Comptonovy observatoře, který odhaloval a lokalizoval silné přechodné zdroje zášlehů paprsků gama stejně jako záření z ostatních zdrojů na obloze. Toho bylo dosaženo pomocí osmi BATSE detektorů, z nichž každý mířil k jednomu rohu satelitu; citlivost těchto detektorů byla nastavena na energetické hodnoty paprsků gama v rozmezí od 20 keV po jeden tisíc keV. Ve středu detektorů BATSE se nacházely NaI krystaly, které při zasažení paprsky gama vytvářely záblesk světla ve viditelném spektru. Tyto záblesky byly zachycovány citlivými detektory, jejichž výstupní signál byl digitalizován a analyzován, aby bylo možno určit přesný okamžik kontaktu a energii paprsku gama, který záblesk vyvolal. Každá jednotka s detektory BATSE sestávala ze širokospektrého čidla dostatečně citlivého pro slabé přechodné události a z menšího detektoru optimalizovaného pro spektroskopické studie jasnějších událostí. Jedním z hlavních úkolů bylo studium záhadného fenoménu zášlehů paprsků gama – krátkých záblesků, které se nečekaně objevují na obloze. Vesmírná mapa zášlehů prokázala, že na rozdíl od galaktických objektů – tedy objektů nahromaděných poblíž roviny nebo středu naší galaxie – přicházejí tyto zášlehy ze všech směrů. Na tomto základě byl vymezen jejich kosmologický původ – ten stanoví jejich zdroj do míst vně naší galaxie. Křivky záření zášlehů naznačují chaotický jev: zatím se ještě nikdy neobjevily dvě ve stejném místě a o stejné energii. Průměrná křivka záření pro jasné i méně jasné zášlehy podporuje teorii kosmologických vzdáleností – ty méně jasné, které pocházejí podle předpokladů z větších vzdáleností, jsou v kosmickém čase delší než záblesky jasnější v závislosti na prostorovém rozpínání vesmíru.

OSSE

Experiment s orientovaným spektrometrem scintilací sestává ze čtyř scintilačních detektorů citlivých vůči energii od 50 keV do 10 MeV. Každý z těchto detektorů mohl být nastaven nezávisle na ostatních. Díky tomu bylo možné střídat pozorování zdrojů paprsků gama se sledováním okolních oblastí, aby mohly být vypočítány přesné odečty kontaminace pozadí. Díky přístrojům OSSE získali vědci údaje o energetickém spektru nukleárních křivek ve slunečních erupcích, radioaktivním rozpadu jader v pozůstatcích supernov a stop po interakcích hmoty a antihmoty (elektronů a pozitronů) v oblasti galaktického centra. Spektrum solární záře zaznamenané OSSE poskytuje přímé důkazy o tom, jak se zrychlené částice srážejí s povrchem našeho Slunce a vyvolaná jádra vyzařují paprsky gama.

COMPTEL

Snímací Comptonův teleskop využívá Comptonova efektu a dvou vrstev detektorů paprsků gama k rekonstrukci obrazu zdroje paprsků gama v energetickém rozmezí 0,8 až 30 MeV a v rozmezí jednoho steradianu oblohy. Tímto přístrojem bylo možno sledovat paprsky gama aktivních galaxií, radioaktivních zbytků supernov a rozptýlených paprsků obřích molekulárních oblaků. Svrchní vrstva detektorů teleskopu byla naplněna tekutým scintilátorem NE 213A, který za použití Comptonova efektu rozptyloval fotony paprsků gama. Ty pak byly pohlcovány NaI krystaly spodní vrstvy detektorů. Přístroje zaznamenávaly čas, umístění a energii příchozího signálu v každé vrstvě detektorů, díky čemuž bylo možno vypočítat směr a energii původního fotonu paprsku gama a rekonstruovat obraz a energetické spektrum jeho zdroje.

EGRET

Experimentální teleskop pro energetické záblesky paprsků gama poskytoval Comptonově observatoři pozorování paprsků gama s nejvyšší energií: pracoval v rozmezí od 30 MeV do 30 GeV. EGRET byl desetkrát až dvacetkrát větší a citlivější než všechny detektory, které před ním s tímto energetickým spektrem pracovaly, a právě díky němu bylo možné podrobně sledovat vysokoenergetické procesy spojené s šířením emisí paprsků gama, s jejich jednotlivými záblesky, kosmickými paprsky, pulzary a s aktivními galaxiemi známými pod názvem blazary. EGRET poskytl vědcům snímky těchto energií pomocí vysokonapěťových jiskrových komor, naplněných plynem. Paprsky gama vysoké energie pronikaly do komor a vyvolávaly reakci ve dvojici částic elektronů a pozitronů, která působila jiskření. Dráha těchto částic byla zaznamenávána, takže bylo možné určit směr původního paprsku gama. Částicové energie byly zachyceny v NaI krystalu pod jiskrovými komorami a díky tomu byla měřena původní energie příchozích paprsků gama.

Výsledky práce observatoře

Díky přístrojům na palubě Comptonu bylo dosaženo mnoha objevů – některé z nich byly již dříve očekávány, jiné vědce naprosto překvapily. Na mapě vesmírného prostoru, vytvořené díky experimentálnímu teleskopu pro energetické záblesky paprsků gama, jsou jasně rozeznatelné emise vzniklé vzájemným působením mezi vesmírným zářením a mezihvězdným prachem podél roviny naší galaxie. Nyní známe celkem sedm pulzarů, které vysílají záření v gama části spektra – a pět z těchto pulzarů jsme objevili pouze díky Comptonu. Jedním z nejdůležitějších objevů, kterých observatoř za pomoci teleskopu EGRET dosáhla, byl objev a klasifikace třídy objektů známých jako blazary: tímto pojmem jsou označovány kvasary, které vysílají většinu své elektromagnetické energie v pásmu od 30 MeV do 30 GeV. Ačkoli od ukončení provozu Comptonovy observatoře uplynula již doba delší než tři roky, výsledky jsou stále vyhodnocovány a zpracovávány. Tento proces bude trvat ještě dlouhou dobu a my se ještě dlouho budeme o našem vesmíru dozvídat věci, o kterých jsme před startem Comptonu neměli nejmenší tušení.

Leave a Reply