Dalekohled bez čoček vidí bouřlivý vesmír

"Budete-li sledovat noční nebe, při troše štěstí uvidíte jednou za deset let kometu. Bude se pohybovat – tak jako všechno ostatní – strašně pomalu. Vesmír ale bude úplně jiný, když se budete dívat paprsky gama,“ líčil šéf vědeckého týmu satelitu GLAST Steven Ritz v červnu 2008 možnosti, které se astronomům a astrofyzikům měly otevřít vypuštěním satelitu sledujícího vesmír přes gama záření.

„Alespoň jednou za den uvidíte mocný oslnivý záblesk. Supermasivní černé díry budou zářit jako signální světlo majáku, uvidíte pulzující světla,“ sliboval Ritz.

„Naše Slunce, když si odfiltrujete jeho záři ve viditelném světle, bude v gama paprscích docela tmavé,“ popisoval naši hvězdu Ritzův kolega Dave Thompson. „Takové nám důvěrně známé hvězdy teleskop téměř neuvidí, ale místo toho nabídne spoustu objektů s úžasnou energetickou aktivitou.“

Unikátní orbitální dalekohled, mezitím přejmenovaný na Fermiho gama teleskop, už na Zemi poslal stovky snímků. Koncem května se vědci sjeli do Říma, aby objevy shrnuli a zhodnotili. To, co Fermi dosud zmapoval, ukazuje vesmír jako extrémně bouřlivý objekt.

„Vesmír viděný v gama záření je mimořádný,“ řekla na římském symposiu Julie McEneryová, jako by navazovala na slova kolegů Ritze a Thompsona. „Pozorujeme jevy, provázené obrovským zrychlením, obrovskou energií. Pozorujeme neutronové hvězdy, supermasivní černé díry, částice řítící se téměř rychlostí světla a narážející do mezihvězdného plynu v naší Galaxii.“

Záření gama je nositelem obrovské energie, mnohamiliónkrát mocnější než viditelné světlo, a není možné ho sledovat konvenčními způsoby.

Teleskop velkého rozsahu (LAT), jedno ze dvou „očí“ Fermiho satelitu, pracuje technologií odvozenou od pozemských částicových urychlovačů.

Tvoří jej 16 věžových modulů, spřažených po čtyřech do sad. Každý modul obsahuje silikonové detektory prokládané wolframovými plátky. Když na ně gama paprsky narážejí, v důsledku vysoké energie vzniká tzv. elektron-pozitronový pár, tedy dvojice elementárních částic s odlišným elektrickým nábojem. Z drah těchto částic, které ovšem v páru mají extrémně krátkou životnost a vzájemně se anihilují, se dá zjistit směr, ve kterém leží jejich zdroj. Tyto částice potom prolétají dál přes kalorimetr, který měří jejich energii, a z toho se vypočítává síla zdroje záření.

LAT má úhel záběru jako lidské oko, vidí asi 20 procent „nebe“, přičemž doba expozice jednotlivých záběrů trvá přibližně 30 minut. Za první rok objevil na 1400 zdrojů gama záření.

Druhé „oko“, monitor výtrysků gama paprsků, GBM, zaregistroval stovky energetických výronů, které mohou během hodiny vyslat více energie než naše Slunce za celou dobu své existence. Umožňuje zaznamenat jak krátké záblesky, trvající několik zlomků sekundy, tak i několikahodinové exploze. Přístroje na satelitu pořídí každé tři hodiny snímek celé „oblohy“ a na Zemi posílá 40 miliónů bitů informací každou sekundu.

Dosavadní výsledky pozorování gama paprsků ve vesmíru postavily vědce před nečekaný problém, jak je klasifikovat. Jednu skupinu zdrojů představují aktivní jádra galaxií, z jejichž středu z černých děr tryskají proudy gama paprsků do prostoru. Energie těchto proudů je srovnatelná se zářením všech hvězd průměrné galaxie.

Další velkou skupinou zdrojů jsou pulzary, rychle rotující neutronové hvězdy, rytmicky vysílající gama záblesky. Krátké, méně než dvě sekundy trvající záblesky gama záření, zřejmě vznikají při kolizi dvou neutronových hvězd nebo tehdy, když neutronovou hvězdu „vtáhne“ do sebe černá díra. Delší záblesky jsou zřejmě průvodním jevem zhroucení masívních hvězd. Astrofyzikové ale nedokážou vysvětlit, co dává těmto výtryskům rychlost přes 99 procent rychlosti světla.

„Viděli jsme mnoho jevů, které jsme očekávali, ale i věci, které jsme netušili,“ řekla McEneryová. „Nečekali jsme, že uvidíme tolik pulzarů, které vyzařují jen gama záření, a byli jsme doslova zaskočeni objevem desítek milisekundových pulzarů,“ konstatovala astrofyzička.

„Také jsme na druhé straně nenašli věci, které jsme najít chtěli, a to je také zajímavé – například shluky galaxií. Čekali jsme, že to budou zdroje gama záření, ale nejsou – to znamená, že naše teorie o vysoce energetických částicích v těchto systémech bude třeba revidovat,“ vysvětlila.

To, co se dosud skrývá za údaji, získanými misí Fermiho teleskopu, slibuje velké fyzikální dobrodružství. Zdroje gama záření, které zatím zůstávají nevysvětlené, mohou představovat nové typy vesmírných objektů. Další údaje mohou skrývat informace o tzv. temné hmotě, látce, která nevydává žádné známé záření, ale o níž se předpokládá, že tvoří většinu vesmírného materiálu.

„Temná hmota je excelentní příklad nových fyzikálních jevů a zákonů, které právě Fermi může sledovat a napomoci jejich objasnění,“ řekl Ritz, který se podílí na analýze dat z teleskopu LAT. „Je jasné, že jde o látku odlišnou od té, na níž je postavena naše současná teorie o částicové fyzice – temná hmota musí mít odlišné vlastnosti,“ vysvětlil.

„Teorie, které přesahují to, co známe, velmi elegantně vysvětlují existenci zcela nových částic, jejichž kolize by mohla být provázena tvorbou gama záření,“ naznačil Ritz. Podle jeho slov by tyto indicie temné hmoty, rozhozené v odlehlých částech vesmíru, mohly doplnit pokusy s hledáním předpovězených částic hmoty, po nichž pátrají vědci v zařízeních, jako je evropský částicový urychlovač LHC u Ženevy.

„To je právě jeden z aspektů, který se mi na vesmíru tolik líbí – největší systémy mají své překvapivé analogie v těch nejmenších,“ vyznal se Ritz s poukazem na fakt, že Fermi sleduje ve velkém měřítku jevy, které odpovídají chování nabitých částic v mohutném magnetickém poli urychlovačů.

„Chtěli bychom pochopit, jak jsou částice urychlovány v pulzarech,“ připojil se Thompson. Tato tělesa se vyznačují mimořádnou koncentrací hmoty, kde podle propočtů jeden krychlový centimetr má hmotnost v řádu miliard tun. „To jsou jedny z nejpodivnějších laboratoří vesmíru: extrémní gravitace, extrémní magnetismus, extrémní elektrické pole, obrovské rychlosti rotace,“ dodal.

Všechny tyto zdroje vysoce energetického záření mohou mířit kamkoli, tedy i k naší Zemi. Paprsky gama jsou nebezpečné všemu živému, a navíc mají schopnost pronikat všemi materiály, zejména těmi s „řídkou“ hmotou. „Díváme se do hlavně, z níž se právě vystřelilo, přiblížil Ritz hrozbu, jakou gama záření může představovat pro Zemi.

Mise Fermiho teleskopu ale není jen záležitostí astrofyziků. I když naše Slunce zdaleka nepatří k velkým zdrojům záření gama, toto jeho záření má vliv i na naši planetu. Koronální výtrysky žhavých slunečních plynů vyvolávají rázovou vlnu, která urychluje částice, jež mohou být nebezpečné jak pro zemské satelity, tak pro kosmonauty a vesmírné lodě.

„Fermi je natolik citlivý, že nepochybně odhalí jevy, které jsme dosud nemohli poznat,“ uvedl Gerald Share z Marylandské univerzity. „Otevírá úplně nové možnosti sledování solárních výronů a energetických částic.“

„Fermi je velký jako piano, ale zatímco obyčejné piano má rozsah necelých sedm oktáv, tenhle vesmírný klavír by jich měl 23,“ vysvětlil možnosti přístroje Ritz. „Dostáváme se s Fermim do věku dospívání,“ přirovnal dosavadní výsledky projektu. „Zatím jsme byli ve věku mladické nevázanosti – v tom krásném období spousty nových poznatků, stovek studií, objevnějších, než jsme si dokázali představit. Teď se dostáváme do hlubší fáze, kdy budeme získané poznatky porovnávat, interpretovat a kdy budeme náš přístroj cíleně úkolovat.“