Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: exotický, vysokoenergetický Vesmír Understand article

Preložila Alena Gintnerová. V treťom článku tejto série o astronómii a elektromagnetickom spektre sa dozvieme o exotických a silných kozmických javoch, ktoré astronómovia skúmajú röntgenovými observatóriami a observatóriami gama žiarenia Európskej agentúry pre vesmír (the…

V rokoch 1960 advent vesmírneho veku zahájil éru vysokoenergetickej astronómie. Astronómovia mohli poprvýkrát vidieť vesmír očami röntgenového a gama žiarenia. Elektromagnetické (EM) žiarenie týchto vlnových dĺžok je emitované kozmickými zdrojmi s extrémnymi vlastnosťami ako napríklad výnimočne vysoké teploty, neobyčajne vysoké hustoty alebo pozoruhodne silné magnetické polia. Observatóriá umiestnené na Zemi neboli schopné toto žiarenie registrovať pretože má príliš krátke vlnové dĺžky na to, aby mohlo preniknúť zemskou atmosférou (obrázok 1). Na odhalenie tohto turbulentného a stále sa meniacieho Vesmíru boli potrebné prvé vesmírne observatóriá.

Pozorovania urobené pri najvyšších energiách len za pol storočia významne zmenili náš pohľad na vesmír. Štúdiom röntgenovej a gama oblohy astronómovia objavili niekoľko nových typov astronomických zdrojov a rozšírili svoje vedomosti o mnohých iných typoch objektov. Aby Európska agentúra pre vesmír (viď rámček) mohla skúmať vesmír v röntgenovej a gama oblasti EM spektra^w1, ukutočňuje dve misie: vesmírne observatóriá XMM-Newton (röntgenové žiarenie) a INTEGRAL (röntgenové a gama žiarenie). Techniky používané v röntgenovej astronómii, astronómii gama žiarenia a v týchto dvoch misiách sme uviedli v druhom článku tejto série (Mignone & Barnes, 2011b); tento článok poskytuje prehľad o tom, čo nás tieto misie naučili, od života hviezd až po štruktúru vesmíru. Ak chcete získať prehľad o EM spektre a jeho úlohe v astronómii pozrite prvý článok tejto série (Mignone & Barnes, 2011a).

Odhaľovanie života a smrti hviezd

Hviezdy sa rodia, keď gravitácia spôsobuje, že obrovské mračná plynu a prachu skolabujú, rozdelia sa a vytvoria protohviezdy. Tieto protohviezdy neskôr, keď sa v ich vnútri roznieti jadrová syntéza, rastú do plne zrelých hviezd. Ako sa hviezda vyvíja ďalej závisí od jej hmotnosti, masívne hviezdy čaká kratší život a veľkolepejší skon ako ich ľahšie náprotivky (obrázok 2).

Pre röntgenových a gama astronómov sú najzaujímavejšie skoré a posledné štádiá životného cyklu hviezd. Pretože niektoré veľmi mladé hviezdy žiaria intenzívne v röntgenových vlnových dĺžkach, astronómovia môžu mnoho z nich detekovať tak, že sa röntgenovými teleskopmi ako XMM-Newton pozerajú na oblasti, v ktorých sa formujú hviezdy (obrázok 3). Najmasívnejšie mladé hviezdy uvoľňujú vysoko energetické žiarenie a extrémne horúci plyn, ktoré pozorujeme pri röntgenových vlnových dĺžkach, a ovplyvňujú to, ako sa formujú iné hviezdy v okolitej oblasti. Astronómovia používajúci XMM-Newton detekovali bubliny horúceho plynu z mladých masívnych hviezd v mnohých oblastiach oblohy^w2, vrátane Nebuly Orionu a oblasti NGC 346, kde sa formujú nové hviezdy. Tento výskum je prínosom k nášmu chápaniu toho ako mladé masívne hviezdy ovplyvňujú vytváranie hviezd okolo nich – horúcej téme modernej astrofyziky.

Na konci svojho života masívne hviezdy vybuchnú ako supernovy (ako je opísané v Székely & Benedekfi, 2007), zohrejú okolitý plyn na extrémne vysoké teploty a urýchlia častice, také ako elektróny, na veľmi vysoké rýchlosti. V dôsledku toho sa uvoľní veľké množstvo röntgenového a gama žiarenia (obrázok 4). Okrem toho je počas explózií supernov syntetizovaných mnoho prvkov ťažších ako železo, napríklad olovo, nikel a zlato (ak sa chcete dozvedieť viac, pozrite Rebusco et al., 2007). Niektoré z týchto prvkov sú rádioaktívne a nakoniec sa rozpadajú na stabilné izotopy, pričom počas tohto procesu vyžarujú gama žiarenie. Astronómovia, ktorí používajú INTEGRAL preskúmali Mliečnu cestu a našli stopy rádioaktívneho izotopu hliníka-26. Tak ako archeológovia sa zakopali do histórie našej galaxie a vykonali sčítanie minulých supernov. Výsledky demonštrujú, že v Mliečnej ceste sa supernovy vyskytujú v priemere raz za 50 rokov^w3.

Po výbuchu supernovy všetko, čo po masívnej hviezde zostane, je extrémne kompaktný a hustý objekt – buď neutrónová hviezda alebo čierna diera.

S takou veľkou hmotnosťou sústredenou do obmedzeného priestoru tieto zvyšky majú výnimočne silné gravitačné polia a veľmi silno priťahujú hmotu, ktorá sa nachádza v ich blízkosti, ale sú dosť ťažko detekovateľné. Avšak, ak je táto neutrónová hviezda alebo čierna diera časťou binárneho hviezdneho systému (dve hviezdy obiehajú okolo spoločného ťažiska), môže začať pohlcovať hmotu zo svojej spoluhviezdy, táto pribúdajúca hmota sa potom zohrieva na milióny stupňov a vyžaruje pri tom röntgenové a gama žiarenie. Takúto vysokoenergetickú emisiu môžeme využiť na odhalenie prítomnosti neutrónovaj hviezdy alebo čiernej diery.

Tieto systémy sa nazývajú röntgenové dvojhviezdy (obrázok 5) a boli objavené v koncom 60-tych rokov minulého storočia röntgenovými pozorovaniami. Vtedy boli neutrónové hviezdy a čierne diery iba predpovedané teóriou, takže tieto pozorovania poskytli prvý dôkaz ich existencie.

Odvtedy niekoľko generácií vesmírnych observatórií pomáhalo astronómom dozvedieť sa viac. XMM-Newton a INTEGRAL študovali mnoho röntgenových dvojhviezd, (ktoré môžu vyžarovať aj gama žiarenie), a odhalili významné detaily o fyzike čiernych dier a neutrónových hviezd. Napríklad gama žiarenie z Cygnus X-1, pozorované použitím INTEGRALuL^w4, pomohlo astronómom lepšie porozumieť ako je hmota do tejto čiernej diery nanášaná vo forme akéhosi kotúča a čiastočne vytryskuje v dvoch symetrických prúdoch.

Vzdialený Vesmír

Vysokoenergetickí astronómovia nielen pozorujú zrod a zánik hviezd vnútri Mliečnej cesty a blízkych galaxií, ale tiež používajú röntgenové a gama žiarenie na skúmanie omnoho vzdialenejšieho Vesmíru- zahŕňajúc superťažké čierne diery a zhluky galaxií.

Všetky veľké galaxie skrývajú vo svojich jadrách superťažké čierne diery s hmotnosťami od niekoľko miliónov do niekoľko miliárd väčšími ako hmotnosť nášho Slnka. Niektoré galaxie, známe ako aktívne galaxie, obsahujú superťažké čierne diery, ktoré na rozdiel od čiernej diery v centre Mliečnej cesty sú aktívne. Tým, že pohlcujú hmotu zo svojho okolia tieto čierne diery uvoľňujú vysokoenergetické žiarenie a tiež silné prúdy vysokoenergetických častíc (obrázok 6).

XMM-Newton a INTEGRAL z ESA sú teda ideálne nástroje na hľadanie aktívnych galaxií a na skúmanie mechanizmu, ktorý ich poháňa. Astronómovia nemôžu vidieť všetky potrebné detaily vo vzdialenejších vysokoenergetických zdrojoch, takže zbierajú tiež údaje z toľkých blízkych aktívnych galaxií ako je to možné. Kombináciou údajov z blízkych a vzdialených galaxií astronómovia zistili ako superťažké čierne diery zbierajú hmotu prostredníctvom akéhosi kotúča a ako tieto kotúče môžu byť obklopené absorbujúcimi oblakmi plynu^w5.

Na ešte väčšej škále majú galaxie tendenciu zhromažďovať sa do zhlukov (klastrov) až niekoľko tisíc galaxií. Tieto klastre sú najväčšie štruktúry vo Vesmíre, ktoré udrží dokopy gravitácia a sú zdrojom rozptýleného röntgenového žiarenia. Toto žiarenie, prvýkrát pozorované v rokoch 1970, odhalilo, že medzigalaktický priestor v klastri obsahuje obrovské množstvo horúceho plynu. Spolu s ďalšími observatóriami, ktoré skúmajú oblohu prostredníctvom EM spektra, XMM-Newton pozoroval stovky klastrov galaxií (obrázok 7).

K nim patrí veľmi vzdialený klaster, ktorý je jednou z narannejších štruktúr vytvorených vo Vesmíre^w6, len 3 miliardy rokov po Big Bangu. Toto môže znieť ako veľmi dlhý čas, ale je to menej než štvrtina súčasného veku Vesmíru.

Klastre galaxií sú umiestnené v najhustejších uzloch kozmickej pavučiny, gigantickej štruktúrovanej siete, ktorá vytvára Vesmír a je tvorená zväčša neviditeľnou tmavou hmotou^w7. Pomocou XMM-Newton astronómovia označili hmotu tam, kde je najhustejšie koncentrovaná a tak vystopovali rozloženie kozmickej štruktúry vo Vesmíre (obrázok 8).

Od zrodenia hviezdy k štruktúre Vesmíru – čo ďalej? Röntgenové observatóriá a observatóriá gama žiarenia, vrátane observatórií ESA – XMM-Newton a INTEGRAL, pokračujú v pozornom sledovaní stále sa meniacej vysokoenergetickej oblohy a zaznamenávajú náhle silné výbuchy röntgenového a gama žiarenia. Tým, že stále odkrývajú astronómom nebeské zázraky, pomáhajú tieto úžasné vesmírne observatóriá riešiť záhady nášho Vesmíru.

Viac o ESA

Európska vesmírna agentúra (European Space Agency (ESA)^w8) 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 EIROforum^w9, vydavateľa Science in School.

References

• Mignone C, Barnes R (2011a) Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: elektromagnetické spektrum. Science in School 20.
• Mignone C, Barnes R (2011b) Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: odkrývanie vesmíru pri najvyšších energiách. Science in School 21.
• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56.
• Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusion in the Universe: when a giant star dies…. Science in School 6: 64-68.

Web References

• w1 – Ak sa chcete naučiť viac o röntgenovej astronómii a astronómii gama žiarenia v ESA, pozrite si Rebeccu Barnes v Epizóde 5 zo Science@ESA vodcast: Neskrotený divoký Vesmír.
• w2 – Zistite viac o tom ako XMM-Newton pomohol pri štúdiu oblasti formovania hviezd NGC 346 a detekoval bublinu horúceho plynu v Nebule Orionu.
• w3 – Zistite ako INTEGRAL určil frekvenciu výskytu supernov v Mliečnej ceste a ako XMM-Newton pomohol analyzovať zvyšky supernovy Tycho.
• w4 – Web stránka ESA má viac informácií o röntgenových dvojhviezdach.

  • Zistite ako boli s INTEGRALOM pozorované vytryskujúce prúdy gama žiarenia z Cygnus X-1 (‚INTEGRAL zbadá hmotu milisekundu pred zánikom’ – ‚INTEGRAL spots matter a millisecond from doom’).

  • Zistite ako boli pomocou XMM-Newton pozorované Supergiant Fast X-ray Transients (‘Neutrónová hviezda prichytená pri tom ako si pochutnáva na trse hviezdnej hmoty’).

• w5 – Prečítajte si viac podrobností o objavoch detektorov XMM-Newton and INTEGRAL (ESA) týkajúcich sa aktívnych galaxií.
• w6 – Prečítajte si viac o tom, ako XMM-Newton pomohol objaviť starý klaster galaxií v mladom Vesmíre.
• w7 – Zistite viac o prvej 3D mape rozloženia tmavej hmoty vo Vesmíre.
• w8 – Pre viac informácií o Európskej vesmírnej agentúre navštívte webovú stránku ESA.
• w9 – Zistite viac o EIROforum.

Resources

• ESA vytvorila veľa vzdelávacích materiálov.

  • Všetky vzdelávacie materiály vytvorené prostredníctvom ESA sú voľne dostupné učiteľom v 18 členských štátoch ESA. Mnohé z nich sú preložené do niekoľkých európskych jazykov.

• Zistite viac o činnosti European Space Agency’s Directorate for Science and Robotic Exploration (Vedenia vedeckého a robotického výskumu ESA).

Institutions

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, tretí v sérii, opisuje activity európskeho výskumu na poli vysokoenergetickej astronómie. Druhý článok v sérii popísal techniky používané dvomi misiami ESA, XMM-Newton (röntgenové žiarenie) a INTEGRAL (röntgenové a gama žiarenie); tento článok opisuje niektoré ich výsledky, vrátane nahliadnutia do zrodu a smrti hviezd a do vzdialenejšieho Vesmíru.

Článok je ideálny na hodiny fyziky pre starších študentov (16+), kde by mohol byť použitý pri vysvetľovaní astrofyziky (život hviezd, kozmické objekty, teória Big Bangu), optiky alebo dokonca kvantovej fyziky (spektrálne oblasti, vzťah medzi vlnovou dĺžkou a energiou, EM vlny), hmotnosti a gravitácie. Tiež by mohol byž použitý na hodinách geografie oVesmíre, slnečných sústavách a kozmických objektoch.

Aby bol prístupný aj mladším študentom (vo veku 10-15 rokov), navrhoval by som, aby si učiteľ vybral na diskusiu iba časti tohto článku.
Tento článok by mohol byť veľmi užitočný aj na hodinách angličtiny, alebo, ak už bol preložený, na hodinách nemčiny, francúzštiny alebo iných jazykov. Pretože článok nie je príliš technický, mohli by ho použiť aj učitelia, ktorým fyzika nie je veľmi blízka.

Tento článok by mohol byť použitý aj na stimuláciu diskusie na tieto témy:

1. Opíšte európske vesmírne misie XMM-Newton a INTEGRAL.
2. Podajte prehľad o elektromagnetickom spektre (vrátane viditeľnej, infračervenej a ultrafialovej oblasti).
3. Aký je vzťah medzi vlnovou dĺžkou, energiou a frekvenciou?
4. Prečo sú zdroje, ktoré žiaria najjasnejšie v gama lúčoch teplejšie ako tie, ktoré žiaria najjasnejšie v röntgenových lúčoch?
5. Prečo je gama žiarenie emitované horúcejšími zdrojmi ako röntgenové?
6. Čo sú röntgenové dvojhviezdy?
7. Čo sa môže stať masívnym hviezdam na konci života?

Gerd Vogt, Vyššia stredná škola pre životné prostredie a ekonomiku, Yspertal, Rakúsko

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF