Rentgenový pohled ke hvězdám

18 Srp

Observatoř Chandra, vypuštěná raketoplánem Columbia 23. července 1999, zůstává do dnešního dne nejpropracovanějším satelitem ke sledování vesmíru pomocí rentgenových paprsků. Dokáže zachytit paprsky objektů vzdálených miliardy světelných let.

Její teleskop obsahuje ta největší, nejdokonaleji vytvarovaná a nejpřesněji nastavená zrcadla, jaká byla kdy vyrobena. Snímky získané pomocí observatoře Chandra jsou pětadvacetkrát ostřejší než veškeré obrazy pořízené astronomy z předchozích rentgenových satelitů. Toto rozlišení by umožnilo člověku jasně číst noviny na vzdálenost jednoho kilometru. Observatoř byla navržena a sestrojena k pozorování rentgenových paprsků z vysoce energetických oblastí vesmíru, jako jsou například pozůstatky vybuchlých hvězd. Díky ní můžeme získat daleko podrobnější informace o černých dírách, supernovách a temné hmotě a tak lépe pochopit původ, vývoj a budoucnost vesmíru.

Observatoř

Celé zařízení observatoře se skládá ze tří hlavních částí: rentgenového teleskopu, který zachycuje záření vesmírných objektů; vědeckého zařízení zaznamenávajícího záření pro jeho pozdější měření a analýzu; a samotné lodi, na níž jsou přístroje uloženy a která poskytuje zázemí nutné pro správné nastavení a fungování teleskopu.

Zrcadla

Teleskop Chandra se skládá ze čtyř párů zrcadel a jejich upevnění. Zrcadla musela být naprosto přesně vytvarována a zarovnána paralelně k rentgenovým paprskům. Z toho důvodu vypadají spíše jako vnořené skleněné válce než jako známé talířovité tvary optických teleskopů. Od nich se musí samozřejmě odlišovat – rentgenové fotony by díky své vysoké energii procházely plochým zrcadlem stejně jako kulky vystřelené do zdi a stejně tak se od nich odrážejí, pokud dopadnou pod určitým úhlem. Proto bylo třeba zrcadla patřičně vytvarovat a přesně nastavit. Složitým a nákladným postupem, během něhož procestovala čtyřikrát pevninské Spojené státy, byla všechna zrcadla vyleštěna, uhlazena, vyčištěna a potažena vzácným iridiem. Poté byla upevněna do podpůrné konstrukce a pečlivě nastavena. Po kalibraci proběhla nutná měření, montáž do lodi a napojení na ostatní přístroje. Konečně byla celá observatoř dopravena na mys Canaveral a umístěna do nákladového prostoru raketoplánu Columbia, který ji dopravil na oběžnou dráhu.

Vědecké zařízení

Hlavním úkolem přístrojů na palubě observatoře je zaznamenat co nejpřesněji množství, směr a energii zachycených rentgenových paprsků. Tyto informace jsou pak využívány k vytvoření rentgenového obrazu a studiu dalších vlastností zdroje, jako je například teplota. Zrcadla rentgenové observatoře Chandra jsou napojeny na čtyři měřicí přístroje: zachycené paprsky jsou zaměřovány do bodu (zhruba o velikosti poloviny průměru lidského vlasu) ohniskové roviny, vzdáleného asi devět metrů od ústí. Přístroje ohniskové roviny – pokročilý zobrazovací spektrometr CCD (ACIS) a kamera s vysokým rozlišením (HRC) – jsou nastaveny tak, aby dokázaly zachycovat ostré obrazy na zrcadlech a poskytovat informace o paprscích: jejich množství, úhel, energii a čas dopadu. Další podrobné informace o energii rentgenových paprsků poskytují i dva další přístroje: nízkoenergetický (LETG) a vysokoenergetický (HETG) mřížkový přenosový spektrometr; tvoří je soustavy mřížek, které mohou být nastaveny do dráhy paprsků těsně za zrcadlem a v závislosti na jejich energii je přesměrovat. Úhel paprsků je určen buď pomocí HRC, nebo ACIS, takže takto může být přesně určena hodnota jejich energie. Vědecké přístroje mají ještě další možnosti, jak zaznamenat a analyzovat rentgenové paprsky vesmírných objektů a jak zjišťovat s dosud neproveditelnou přesností jejich vlastnosti.

Kamera s vysokým rozlišením (HRC) je jedním ze dvou přístrojů používaných k zaměření observatoře, která zachycuje rentgenové paprsky odražené osmi zrcadly. Jedinečné schopnosti HRC spočívají z úzkého spojení zobrazovacích možností se zaměřením zrcadel. Při součinnosti ze zrcadly dokáže HRC zprostředkovat podrobnosti o velikosti poloviny obloukové sekundy. Primárními komponenty HRC jsou dvě mikrokanálové desky (MCP); na ploše deseti čtverečních centimetrů je na nich umístěno 69 milionů drobných trubiček z olovnatého skla o průměru deseti mikrometrů (což je zhruba osmina průměru lidského vlasu) a o délce 1,2 milimetru. Trubičky jsou opatřeny zvláštním povlakem, který z nich v okamžiku, kdy je zasáhne rentgenový paprsek, uvolňuje elektrony. Ty jsou pak urychlovány a ve chvíli, kdy opustí trubičku, se takto vytvoří oblak třiceti milionů elektronů. Elektronický signál je detekován sítí vodičů, které umožňují velice přesně zaměřit původní místo, odkud byl rentgenový paprsek zachycen. Díky těmto informacím mohou astronomové sestavit přesnou mapu vesmírných zdrojů rentgenového záření. HRC je obzvlášť vhodná k zobrazování horké hmoty ve zbytcích vybuchlých hvězd a ve vzdálených galaxiích a jejich shlucích, odkud k nám míří pouze velice slabé signály.

Pokročilý zobrazovací spektrometr CCD (ACIS) je jedním ze dvou přístrojů ohniskové roviny. Jde o seskupení zdvojených nabitých zařízení (CCD), které jsou vylepšenou verzí těch zařízení, které se nacházejí ve videokamerách. Podstata tohoto přístroje spočívá v jeho schopnosti pořizovat rentgenové snímky a zároveň měřit energii každého paprsku. Astronomové tedy mohou získat snímky zdrojů, jejichž rentgenové paprsky vznikají z jediného chemického prvku, a porovnávat například vzhled zbytku supernovy ve světle, vytvářeném kyslíkovými ionty, se vzhledem v prostředí neonových nebo železných iontů. Tento přístroj se používá k měření teplotních rozmezí v rentgenových zdrojích obrovských oblaků horkého plynu v mezihvězdném prostoru nebo chemických variací v oblaku zbylém po výbuchu supernovy.

Spektrometry s velkým rozlišením: HETG a LETG

V observatoři se nacházejí dva přístroje pro spektroskopii s vysokým rozlišením – nízkoenergetický (LETG) a vysokoenergetický (HETG) mřížkový přenosový spektrometr. Každý z nich je uváděn do provozu umístěním přímo za zrcadlo. Sestávají ze stovek přenosových mřížek vyrobených ze zlata, a jakmile jsou na svém místě, dokážou zachycovat rentgenové paprsky, které projdou zrcadly. Tyto mřížky odrážejí zachycené paprsky a mění jejich směr v závislosti na jejich energii stejně jako skleněný hranol rozkládá světlo na jednotlivé barvy spektra. Toto měření následuje poté, co jedna z kamer ohniskové roviny – buď HRC, nebo ACIS – zjistí místo původu odražených rentgenových paprsků a umožňuje přesné měření rozličných zdrojů energie. (Mřížky dokážou odrážet paprsky díky svému přesnému rozmístění; podobným příkladem jsou například CD disky – když na stranu s mikroskopickými drážkami dopadá světlo, vzniká duhový odraz. Když disk nakláníme na různé strany, získáváme různé barvy spektra.)

Mřížky díky přesnému zaostření zrcadla a vysokému rozlišení kamer získávají kvalitní rentgenové spektrogramy. Jelikož mřížkové spektrometry dokážou měřit energii s přesností na jednu tisícinu, používají se ke studiu podrobného energetického spektra s rozpoznáváním jednotlivých rentgenových linií. To také umožňuje zkoumání teploty, ionizace a chemického složení. Spektrometr LETG tvoří mřížka z jemných zlatých drátků, mezi nimiž jsou pravidelné rozestupy jednoho mikrometru. Tyto drátky spočívají na dvou podpůrných strukturách: lineární síťce s rozestupy jednotlivých pramenů 25,4 mm a na trojúhelníkové mříži s rozestupy pramenů 2 mm. Tyto struktury jsou usazeny na prstencovém usazení zaměřeném na zrcadla observatoře. Mřížka LETG spektrometru je určena ke zkoumání energetického rozmezí 0,08 – 2 keV.

Spektrometr HETG má zlaté drátky rozmístěny v daleko menším rozestupu – 0,2 mm nebo 2000 A pro mřížku vysokých energií a 0,4 mm nebo 4000 A pro mřížku středních energií. Pro jejich odlišení jsou oba druhy mřížek umístěny v mírně odlišných úhlech, takže jsou rentgenové paprsky odráženy z ohniskové roviny v křížovém tvaru. Protože je velikost pramenů menší než vlnová délka viditelného světla, je při jejich výrobě nutné použití zvláštních technologií. Zlato se pro tyto mřížky používá proto, že je pro rentgenové paprsky částečně transparentní, díky čemuž je jejich odrážení mnohem účinnější a ve spektru s vysokým rozlišením je tak zachyceno paprsků daleko více. Mřížka HETG spektrometru je určena k zachycení energetického rozmezí 0,4 – 10 keV.

Loď

Lodní systém poskytuje podpůrnou strukturu a prostředí nutné pro správné fungování všech přístrojů observatoře. Součástí systému jsou solární panely k zásobování elektrickou energií, termální systém, který kontroluje teplotu teleskopu, a komunikační systém, díky němuž jsou data odesílány astronomům na Zemi. Termální ovládací systém, který slouží ke sledování teplot kritických součástí observatoře, se skládá z chladicího tělesa, izolace, termostatů a topného tělesa. Pro přesné zaměření zrcadla teleskopu je obzvlášť nutné, aby se rentgenová zrcadla a jejich okolí nacházely v co nejstabilnějším stavu. Z toho důvodu jsou důležité součásti observatoře neustále monitorovány a hodnoty odesílány zpět na zemský povrch do řídicího střediska.

Veškerá elektrická energie, kterou observatoř potřebuje, je dodávána solárními panely. Tato energie je pak shromažďována ve třech bateriích a rozdělována pečlivě regulovaným způsobem do jednotlivých částí observatoře. Sluneční panely dodávají přibližně dva kilowatty energie všem chladičům, vědeckým přístrojům, počítačům, vysílačům a podobně. Na samém hrotu lodi – v místě, kudy k teleskopu proniká radiace – je umístěna sluneční clona, jedna z nejdůležitějších a nejzákladnějších součástí celého systému. Tato clona se otevřela až poté, co observatoř dosáhla své přesně určené polohy na oběžné dráze. V otevřeném stavu umožňuje nastavení teleskopu až do úhlu čtyřiceti pěti stupňů ke Slunci. Kontrola zaměření a polohovací systém využívají gyroskopického pohonu, polohové kamery, zemských a slunečních senzorů a převodních systémů, aby dokázaly s vysokou přesností určit místo, na něž je teleskop v daném okamžiku zaměřen. Tento systém také dokáže v případě potřeby přepnout observatoř do různých úrovní neaktivity a klidu, známých také jako „bezpečnostní mody“.

Jméno

Observatoř byla pojmenována na počest indo-amerického laureáta Nobelovy ceny, Subrahmanyana Chandrasekhara, kterého celý vědecký svět znal jako Chandru (v sanskrtu toto slovo znamená „měsíc“). Byl všeobecně uznáván jako jeden předních astrofyziků dvacátého století. V roce 1932 zveřejnil studii o tom, že existuje horní hranice hmoty bílých trpaslíků – ta se nyní na jeho počest nazývá Chandrasekharova hranice. V roce 1983 mu byla udělena Nobelova cena za fyziku.

Leave a Reply