Περισσότερα από όσα βλέπει το μάτι: αποκαλύπτοντας τον κόσμο στις υψηλές ενέργειες Understand article

Μετάφραση από Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Οι Claudia Mignone και Rebecca Barnes εξερευνούν τις ακτίνες-Χ και τις ακτίνες-γ και διερευνούν τις μεγαλοφυείς τεχνικές που…

Όταν βλέπουμε τον έναστρο νυχτερινό ουρανό είτε με το γυμνό μάτι, είτε με κιάλια η ένα τηλεσκόπιο η θέα είναι ακαταμάχητη και γαλήνια. Αν όμως μπορούσαμε να δούμε τον ουρανό στις υψηλές ενεργητικές ακτίνες-Χ και ακτίνες-γ, παρά στο ορατό φάσμα που αντιλαμβάνονται τα μάτια μας, θα βλέπαμε μια πολύ διαφορετική εικόνα – ένα δραματικό κοσμικό θέαμα φωτός^w1 (Σχήμα 1).

Μερικά από τα πιο ισχυρά και βίαια φαινόμενα στο Σύμπαν ακτινοβολούν έντονα σε αυτά τα μικρά μήκη κύματος, όπως οι εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων – το πύρινο τέλος της ζωής ενός τεράστιου άστρου – και οι μαύρες τρύπες, καταβροχθίζοντας ραγδαία ύλη. Ως σημάδι της δυναμικής τους φύσης, πολλές πηγές ακτίνων-Χ και ακτίνων-γ εμφανίζουν αισθητές αλλαγές στην λαμπρότητα τους, ακόμη και σε πολύ μικρές χρονικές περιόδους. Οι εκλάμψεις ακτίνων-γ, για παράδειγμα, εμφανίζονται σαν ξαφνικές φωτεινές αναλαμπές που διαρκούν μόνο μερικά δευτερόλεπτα. Αυτές οι εκλάμψεις προκύπτουν από πιθανόν τις πιο ακραίες εκρήξεις στον κόσμο (για να μάθετε περισσότερα, δείτε Boffin, 2007). Επιπλέον, οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες-γ εκλύονται από φυσικές αντιδράσεις που είναι διαφορετικές από αυτές που είναι υπεύθυνες για την εκπομπή του οπτικού φωτός. Αυτό σημαίνει ότι οι γαλαξίες και άλλα αστρονομικά σώματα φαίνονται διαφορετικά όταν απεικονίζονται στο υψηλής ενέργειας άκρο του ηλεκτρομαγνητικού (ΕΜ) φάσματος^w2 (Εικόνες 2 και 3).

Αυτή η επαναστατική εικόνα του κόσμου αποκαλύφθηκε στους αστρονόμους στις αρχές του 1960, με την έναρξη της διαστημικής εποχής, όταν πύραυλοι και δορυφόροι επέτρεπαν σε ειδικά αναπτυγμένα όργανα να μεταφερθούν πέρα από το φράγμα που επισκιάζει την ατμόσφαιρα της Γης^w3. Ο Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός (ESA; δείτε κουτί)^w4 σύντομα συμμετείχε, με την αποστολή των ακτίνων-γ COS-B (1975) και το αστεροσκοπείο ακτίνων-Χ EXOSAT (1983). Σήμερα, ο ESA λειτουργεί δύο τέτοια αστεροσκοπεία: τον δορυφόρο ακτίνων-Χ με Πολλαπλούς Καθρέφτες (X-ray Multi-Mirror satellite, XMM-Newton), που εκτοξεύτηκε το 1999, και το Διεθνές Εργαστήριο Αστροφυσικής Ακτίνων-γ (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, INTEGRAL), που εκτοξεύτηκε το 2002.

Πως λειτουργούν; Όπως εξηγήσαμε σε προηγούμενο άρθρο (Mignone & Barnes, 2011), δεν υπάρχει φυσική διάκριση ανάμεσα στις ακτίνες-Χ, τις ακτίνες-γ, το ορατό φως και άλλους τύπους ΕΜ ακτινοβολίας. Όλες είναι μορφές φωτός, που διαφέρουν μόνο στο μήκος κύματος (η, στην συχνότητα η ενέργεια, καθώς και τα τρία συσχετίζονται˙ Σχήμα 4). Ωστόσο, ανάλογα με το μήκος κύματός τους (η την συχνότητα, η την ενέργεια), αλληλεπιδρούν πολύ διαφορετικά με την ύλη. Αυτό έχει σημαντικές επιπτώσεις στην αστρονομία.

Παραδοσιακά οπτικά συστήματα, όπως τα μάτια μας, οι κάμερες, τα μικροσκόπια η τα τηλεσκόπια, βασίζονται σε φακούς (η καθρέφτες) που διαθλούν (η αντανακλούν) τις ακτίνες φωτός και τις εστιάζουν σε ένα μόνο σημείο για να παράγουν εικόνες. Ωστόσο, αυτό είναι δύσκολο με μερικές ακτίνες φωτός. Επειδή οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες-γ έχουν μήκη κύματος παρόμοιου μεγέθους με τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια, αντίστοιχα, δεν μπορούν να ανακλαστούν εύκολα η να εστιαστούν όπως το οπτικό φως, αλλά αντί αυτού τείνουν να απορροφώνται όταν προσκρούονται με πιο συμπαγή υλικά (Σχήμα 5).

Το γεγονός ότι οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες-γ απορροφώνται από συμπαγή υλικά τις κάνει κατάλληλες για πολλές εφαρμογές, που συμπεριλαμβάνουν και ιατρικές τομογραφίες και διερευνήσεις υλικών. Για τους αστρονόμους, ωστόσο, αυτό είναι ένα πρόβλημα: επειδή απορροφώνται εύκολα, αυτού του είδους οι ακτινοβολίες είναι πολύ δύσκολο η αδύνατον να εστιαστούν˙ άρα το να πάρεις ευκρινείς εικόνες των πηγών τους είναι μια πρόκληση.

Παρ’ όλα αυτά, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει τεχνικές για να ανιχνεύουν τις ακτίνες-Χ και τις ακτίνες-γ που προέρχονται από το σύμπαν. Διαφέρουν πολύ από τεχνικές που χρησιμοποιούνται στα παραδοσιακά οπτικά και αυτό, μαζί με το γεγονός ότι λειτουργούν στο διάστημα, σημαίνει ότι τα τηλεσκόπια για την υψηλής ενέργειας αστρονομία δεν μοιάζουν καθόλου στα οπτικά τηλεσκόπια.

Τεχνικές παρατήρησης ακτίνων-Χ

Παρόλο που είναι δύσκολο να έχεις αντανάκλαση των ακτίνων-Χ, δεν είναι όμως τελείως αδύνατον αν πέσουν πάνω στο κάτοπτρο του τηλεσκοπίου με πολύ μικρή γωνία – σκέψου ένα πετραδάκι να εποστρακίζεται πάνω στην επιφάνεια του νερού. Ωστόσο, ενώ μια γωνία πρόσπτωσης τόσο μεγάλη όσο 20° επιτρέπει στις πέτρες να αναπηδήσουν, οι ακτίνες-Χ μπορούν να ανακλαστούν μόνο σε πολύ μικρότερες γωνίες: 1° η ακόμη μικρότερη. Οι ακτίνες-Χ θα πρέπει μόλις να αγγίξουν το κάτοπτρο, διαφορετικά είναι πιθανόν να απορροφηθούν.

Για να πετύχεις αυτήν την μικρή γωνία – και να εστιάσεις τις ακτίνες-Χ σε ένα μόνο σημείο – τα κάτοπτρα που χρησιμοποιούνται στα τηλεσκόπια ακτίνων-Χ μοιάζουν περισσότερο με χωνί (Σχήμα 6). Στην πραγματικότητα, το σχήμα του κατόπτρου είναι ένας συνδυασμός ενός παραβολοειδούς και ενός υπερβολοειδούς, εξασφαλίζοντας έτσι ώστε οι ακτίνες-Χ που το ακουμπούν να αντανακλώνται δύο φορές.

Η ευφυής αυτή τεχνική, που ονομάζεται grazing incidence optics, έχει ένα βασικό μειονέκτημα: για να αντανακλώνται και να εστιάζονται, οι ακτίνες-Χ θα πρέπει να ταξιδεύουν σχεδόν παράλληλα με τους σωληνοειδείς καθρέφτες, και έτσι αυτά τα τηλεσκόπια συλλέγουν μόνο περιορισμένες ποσότητες ακτινοβολίας ακτίνων-Χ. Ένα τηλεσκόπιο είναι ισχυρό αν καταφέρνει να συλλέγει μεγάλα ποσά φωτός από μακρινές κοσμικές πηγές˙ αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με πολύ μεγάλους καθρέφτες. Σε αντίθεση, για να μεγιστοποιήσουν την ισχύ τους, τα τηλεσκόπια ακτίνων-Χ έχουν αρκετούς καθρέφτες τοποθετημένους τον ένα μέσα στον άλλο, δημιουργώντας μια κατασκευή που μοιάζει με ένα τεράστιο πράσο. Τα τρία τηλεσκόπια που βρίσκονται στο XMM-Newton διαστημικό αστεροσκοπείο του ESA, για παράδειγμα, καθένα αποτελείται από 58 ένθετα κάτοπτρα (Σχήμα 7)^w6.

Εκτός από το παράξενο σχήμα τους, οι καθρέφτες του XMM-Newton διαφέρουν από τους παραδοσιακούς καθρέφτες τηλεσκοπίου και στο ότι είναι κατασκευασμένοι από επιχρυσωμένο νικέλιο αντί για γυαλί με επικάλυψη αλουμινίου˙ τα πιο βαριά στοιχεία είναι πιο πιθανό να αντανακλούν τις εισερχόμενες ακτίνες-Χ (για να μάθετε περισσότερα, δείτε Singh, 2005).

Τεχνικές παρατήρησης ακτίνων-γ

Αν το να εστιάσεις τις ακτίνες-Χ είναι πρόκληση, τότε το να εστιάσεις τις ακτίνες-γ – την πιο ενεργητική μορφή του φωτός – είναι σχεδόν αδύνατο. Επομένως, για να παράγουν εικόνες των κοσμικών πηγών σε αυτό το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος οι αστρονόμοι έπρεπε να βρουν εναλλακτικές μεθόδους.

Πολλά όργανα για την αστρονομία των ακτίνων-γ, συμπεριλαμβανομένων και αυτών πάνω στο διαστημικό αστεροσκοπείο INTEGRAL του ESA, βασίζονται σε μια τεχνική που ονομάζεται coded-mask imaging (απεικόνιση κωδικοποιημένης μάσκας). Αυτή λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο που λειτουργεί η pinhole camera (η φωτογραφική μηχανή οπών καρφίτσας), η οποία δεν έχει φακό, αλλά μια πολύ μικρή οπή μέσα από την οποία περνούν οι ακτίνες φωτός, προβάλλοντας μια ανεστραμμένη εικόνα στον απέναντι τοίχο της κάμερας.

Στην θέση της μόνης οπής της pinhole camera, η coded-mask camera (κάμερα κωδικοποιημένης μάσκας) έχει μια μάσκα με ένα ειδικό σχέδιο οπών και αδιαφανή στίγματα μπροστά από έναν ανιχνευτή. Οι ακτίνες-γ που περνούν μέσα από τις οπές φωτίζουν κάποια εικονοστοιχεία (pixels) στον ανιχνευτή, ενώ άλλες μπλοκάρονται από τα αδιαφανή στίγματα της μάσκας και δημιουργούν σκιές στον ανιχνευτή.

Το σχέδιο των φωτεινών και σκοτεινών εικονοστοιχείων περιέχει πληροφορίες για την θέση των πηγών ακτίνων-γ στον ουρανό, και η ένταση των φωτιζόμενων εικονοστοιχείων δίνει πληροφορίες για την λαμπρότητά τους^w7. Αν και όχι λεπτομερείς, οι εικόνες που προκύπτουν είναι χρήσιμες για να προωθήσουν μερικά από τα πιο ισχυρά φαινόμενα στο Σύμπαν (Σχήματα 8a και 8b, 9 και 10).

Προσεχώς…

Καθώς διαβάζεται αυτό το άρθρο, τα αστεροσκοπεία του ESA XMM-Newton και INTEGRAL περιφέρονται γύρω από την Γη, παρακολουθώντας το διαρκώς μεταβαλλόμενο, υψηλής ενέργειας Σύμπαν και βοηθώντας στην διαλεύκανση των ουράνιων θαυμάτων. Στο επόμενο άρθρο μας, θα εξερευνήσουμε μερικά από αυτά τα φαινόμενα, όπως την ταραχώδη ζωή και θάνατο των αστέρων στον Γαλαξία, και τις γιγάντιες μαύρες τρύπες στο κέντρο των μακρινών γαλαξιών.

Περισσότερα για τον ESA

Ο Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός (ESA)^w4 είναι η Ευρωπαϊκή πύλη στο διάστημα, οργανώνοντας προγράμματα για να μάθουμε περισσότερα για την Γη, το άμεσο διαστημικό περιβάλλον της, το Ηλιακό μας Σύστημα και το Σύμπαν, και επίσης συνεργάζεται στην ανθρώπινη εξερεύνηση του διαστήματος, στην ανάπτυξη τεχνολογιών και υπηρεσιών βασισμένων στους δορυφόρους, και στην προώθηση των Ευρωπαϊκών βιομηχανιών.

Η Διεύθυνση της Εξερεύνησης της Επιστήμης και Ρομποτικής είναι αφοσιωμένη στο διαστημικό πρόγραμμα του ESA και στην ρομποτική εξερεύνηση του Ηλιακού Συστήματος. Στην προσπάθεια να κατανοήσουμε το Σύμπαν, τους αστέρες και πλανήτες και την προέλευση της ίδιας της ζωής, οι διαστημικοί δορυφόροι του ESA κοιτάζουν στα βάθη του κόσμου και βλέπουν τους πιο μακρινούς γαλαξίες, μελετούν τον Ήλιο με πρωτοφανή λεπτομέρεια, και εξερευνούν τους πλανητικούς μας γείτονες.

ESA is a member of EIROforum^w8, the publisher of Science in School.

References

• Bernardelli A (2010) Stage lights: physics and drama. Science in School 17: 41-45.
• Boffin H (2007) Σύντηξη στο Διάστημα: εκλάμψεις ακτινών γ. Science in School 7.
• Mignone C & Barnes R (2011) Περισσότερα από όσα βλέπει το μάτι: το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Science in School 20.
• Singh KP (2005) Techniques in X-ray Astronomy. Resonance – Journal of Science Education. 10(6): 15-23.

Web References

• w1 – Για μια ταινία βασισμένη στα δεδομένα του INTEGRAL, που συγκρίνει την εμφάνιση του ουρανού όπως φαίνεται στο ορατό φως και στις ακτίνες-γ, καθώς και την μεταβλητότητα της εκπομπής ακτίνων-γ των πηγών στο κεντρικό εξόγκωμα του Γαλαξία, δείτε: http://sci.esa.int/GalacticBulge_video
• w2 – Για να δείτε ένα κινούμενο σχέδιο που δείχνει την διαφορετική εμφάνιση του γαλαξία M 82 στο ορατό φως, στο υπεριώδες και στις ακτίνες-Χ, δείτε: http://sci.esa.int/science-e-media/img/40/M82Zoom410x354.gif
• w3 – Για να διαβάσετε η να ακούσετε την διάλεξη για το Νόμπελ το 2002 του Riccardo Giacconi με τίτλο ‘Η Αυγή της Αστρονομίας ακτίνων-Χ’, επισκεφτείτε το http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/giacconi-lecture.html
• w4 – Για περισσότερες πληροφορίες για τον ESA, δείτε το: www.esa.int

  • Για να μάθετε περισσότερα για τις δραστηριότητες της Διεύθυνσης της Εξερεύνησης της Επιστήμης και Ρομποτικής του ESA, επισκεφτείτε το: http://sci.esa.int

  • Εκπαιδευτικό υλικό που παράγεται από τον ESA είναι διαθέσιμο δωρεάν στους εκπαιδευτικούς των 18 μελών χωρών του ESA. Πολλά είναι μεταφρασμένα σε διάφορες Ευρωπαϊκές γλώσσες. Δείτε το: http://www.esa.int/Education/Teachers_Corner

  • Οδηγίες και σχέδια για να κατασκευάσετε χάρτινα μοντέλα πολλών διαστημοπλοίων του ESA (συμπεριλαμβανομένων και των XMM-Newton και INTEGRAL) μπορείτε να κατεβάσετε εδώ: https://www.esa.int/Education/Classroom_tools

  • Η γκαλερί πολυμέσων του ESA προσφέρει πάνω από 10 000 εικόνες, βίντεο και κινούμενα σχέδια σχετικά με το διάστημα. Δείτε το: www.esa.int/esa-mmg/mmghome.pl

• w5 – Για μια διαδραστική προσομοίωση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, καθώς και μερικές σχετικές δραστηριότητες, δείτε την ιστοσελίδα PhET (http://phet.colorado.edu) η χρησιμοποιείστε τον σύνδεσμο: http://tinyurl.com/679wytg

  • Για να μάθετε περισσότερα για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, δείτε το: http://physics.info/photoelectric

• w6 – Για ένα κινούμενο σχέδιο της διαδρομής του φωτός μέσα από τα τηλεσκόπια του XMM-Newton, δείτε το: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=45618
• w7 – Για να μάθετε περισσότερα για την κάμερα κωδικοποιημένης μάσκας, δείτε το www.sron.nl/~jeanz/cai/coded_intr.html
• w8 – Για να μάθετε περισσότερα για το EIROforum, επισκεφτείτε το: www.eiroforum.org

 

Resources

• Τα Science@ESA vodcasts εξερευνούν το Σύμπαν μας μέσα από τα μάτια του στόλου των διαστημοπλοίων της επιστήμης του ESA. Το επεισόδιο 5 (‘Το αδάμαστο, βίαιο Σύμπαν’) προσφέρει μια ματιά στο θερμό, ενεργητικό και συχνά βίαιο σύμπαν, και στις αποστολές του ESA που το ανιχνεύουν χρησιμοποιώντας την αστρονομία ακτίνων-Χ και ακτίνων-γ. Δείτε το: http://sci.esa.int/vodcast

Institutions

Author(s)

Η Claudia Mignone, Vitrociset Βέλγιο για τον ESA – Ευρωπαϊκό Διαστημικό Οργανισμό, είναι μια συγγραφέας των φυσικών επιστημών για τον ESA. Έχει πτυχίο στην αστρονομία από το Πανεπιστήμιο της Μπολόνια, Ιταλία, και διδακτορικό στην κοσμολογία από το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, Γερμανία. Πριν να πάει στον ESA, δούλεψε στο γραφείο ευαισθητοποίησης του κοινού (γραφείο δημόσιας προσφοράς) του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου (ESO).

Rebecca Barnes, HE Space Operations για τον ESA – Ευρωπαϊκό Διαστημικό Οργανισμό, είναι η εκπαιδευτικός λειτουργός για τον ESA Διεύθυνση της Εξερεύνησης της Επιστήμης και Ρομποτικής. Έχει πτυχίο στην φυσική με ειδικότητα στην αστροφυσική από το Πανεπιστήμιο του Leicester, Μεγάλη Βρετανία, και δούλεψε προηγουμένως στα τμήματα της εκπαίδευσης και διαστημικών επικοινωνιών του Εθνικού Διαστημικού Κέντρου της Βρετανίας. Για να μάθετε περισσότερα για τις εκπαιδευτικές δραστηριότητες της Διεύθυνσης της Εξερεύνησης της Επιστήμης και Ρομποτικής του ESA, επικοινωνήστε με την Rebecca στο SciEdu@esa.int

 

Review

Αυτό το άρθρο εξηγεί απλά και κατανοητά πως οι ακτίνες-Χ και οι ακτίνες-γ συλλέγονται από τις κοσμικές πηγές χρησιμοποιώντας μοντέρνα διαστημικά τηλεσκόπια, και παρέχει μερικές συναρπαστικές εικόνες.

Για τους εκπαιδευτικούς των φυσικών επιστημών στα δημοτικά, το άρθρο μπορεί να παρέχει κίνητρο για να κατασκευάσουν ένα μοντέλο τηλεσκόπιο στα μαθήματα, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας ανακυκλώσιμα υλικά – η να χρησιμοποιήσουν τα μοντέλα δορυφόρων που μπορούν να κατεβάσουν από την ιστοσελίδα^w4. του ESA. Οι πολύχρωμες εικόνες μπορούν επίσης να αποτελέσουν μέρος μιας έκθεσης της τάξης.

Εκπαιδευτικοί των φυσικών επιστημών στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση (μαθητές ηλικίας 11-16) μπορούν να αναφερθούν στο θέμα των τεχνικών απεικόνισης ακτίνων-γ χρησιμοποιώντας μια pinhole κάμερα. Αυτό θα ήταν κατάλληλο σε μαθήματα οπτικής, τονίζοντας ότι και η pinhole κάμερα και η απεικόνιση κωδικοποιημένης μάσκας λειτουργούν χωρίς οπτικό φακό.

Οι εικόνες που έχουν ληφθεί με τα αστεροσκοπεία^w4 του ESA θα ήταν χρήσιμο βοήθημα για την διδασκαλία της διαστημικής παρατήρησης, συμβάλλοντας στην εξοικείωση των μαθητών με τα διάφορα αστρονομικά φαινόμενα (π.χ. γαλαξίες, μαύρες τρύπες, υπερκαινοφανείς, αστέρες νετρονίων, η την εκμηδένιση της ύλης και αντιύλης) που αναφέρονται στο άρθρο. Θα μπορούσε επίσης να ενθαρρύνει τους μαθητές να κάνουν κάποια έρευνα μόνοι τους σε τομείς που σχετίζονται με το αναλυτικό πρόγραμμα σπουδών.

Για εκπαιδευτικούς μεγαλύτερων σε ηλικία μαθητών, θα ήταν ενδιαφέρον να συζητήσετε για τα είδη των τηλεσκοπίων που χρησιμοποιούνται στην υψηλής ενέργειας αστρονομία και βρίσκονται στα διαστημικά τηλεσκόπια XMM-Newton και INTEGRAL, και τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για να φιλτράρουν τα δεδομένα μέχρις ότου οι εικόνες να εξαχθούν πλήρως (αυτό μπορεί να σχετιστεί με μαθήματα πληροφορικής). Οι μαθητές θα μπορούσαν να συγκρίνουν την δομή των τηλεσκοπίων στο υψηλής ενέργειας άκρο του φάσματος με αυτή του οπτικού τηλεσκοπίου, και να διερευνήσουν τις δυσκολίες που συναντώνται κατά την κατασκευή τους.

Stephanie Maggi-Pulis, Μάλτα

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF