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 fénybemutatót^w1 (1. ábra).

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 tartományban^w2 (2. és 3. ábra).

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 atmoszféra^w3.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.

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).

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 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.

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

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.

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 árulkodik^w7. Bár nem látszanak a részletek, a létrehozott képek megmutatják az Univerzum leghevesebb jelenségeit (Figuras 8a és 8b, 9 és 10 ábrák).

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 EIROforum^w8-nak, amely kiadja a Science in School-t.

References

• Bernardelli A (2010) Stage lights: physics and drama. Science in School 17: 41-45.
• Boffin H (2007) Fúzió a Világegyetemben: gammasugár-kitörések. Science in School 7.
• Mignone C & Barnes R (2011) Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum. Science in School 20.
• Singh KP (2005) Techniques in X-ray Astronomy. Resonance – Journal of Science Education. 10(6): 15-23.

Web References

• w1 – Egy film, amely az INTEGRAL adatai alapján készült, összehasonlítja az égbolt képét a látható fény és a gammasugár tartományban, illetve megmutatja a Tejútrendszer magjában lévő gammaforrások emissziójának változásait, ld: http://sci.esa.int/GalacticBulge_video
• w2 – Az animáció megmutatja az M 82 galaxis képét a látható fény, az ultraibolya sugárzás és a röntgensugár tartományban, ld.: http://sci.esa.int/science-e-media/img/40/M82Zoom410x354.gif
• w3 – Ha el akarja olvasni vagy meg akarja hallgatni Riccardo Giacconinak a 2002-es Nobel díj átadáson tartott előadását , ‘The Dawn of X-ray Astronomy’ címmel, látogasson el a követekező oldalra: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/giacconi-lecture.html
• w4 – További információk találhatók az ESA-ról: ld.: www.esa.int

  • Ha többet akar megtudni az ESA Természettudomány és Robotfejlesztési részlegéről (Directorate of Science and Robotic Exploration), látogasson ide: http://sci.esa.int

  • Az ESA által készített oktatási anyagok a tanárok számára ingyen elérhetők az ESA 18 tagországában. Többet le is fordítottak különböző európai nyelvekre. Ld.: http://www.esa.int/Education/Teachers_Corner

  • Több ESA űrhajó (többek között a XMM-Newton és az INTEGRAL) papírmodelljének elkészítéséhez az utasítások és a minta letölthető innen: https://www.esa.int/Education/Classroom_tools

  • Az ESA multimédia galériában több mint 10 000, a Világűrrel kapcsolatos kép, videó és animáció érhető el. Ld.: www.esa.int/esa-mmg/mmghome.pl

• w5 – A fotoelektromos effektus interaktív szimulációja és néhány ehhez kapcsolódó tevékenység megtalálható a következő weboldalon (http://phet.colorado.edu) vagy használja a közvetlen kapcsolatot: http://tinyurl.com/679wytg

  • Többet megtudhat a fotoelektromos effektusról, ld.: http://physics.info/photoelectric

• w6 – Animáció, amely az XMM-Newton teleszkópon keresztülhaladó fény útját mutatja, ld.: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=45618
• w7 – További információkat találhat a kódolt-maszk kameráról, ld. www.sron.nl/~jeanz/cai/coded_intr.html
• w8 – Többet megtudhat az EIROforum-ról, ld.: www.eiroforum.org

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

Institutions

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 weboldaláról^w4. 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 obszervatórium^w4 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

Download

Download this article as a PDF