Promatranje svemirskih X-zraka

This is the HTML version on my article published in Crosat, 1999;46/7:30-1.


Piše: Dr.sc. Zdenko Franić
franic@imi.hr


Naš je Svemir izuzetno dinamičan, pa čak i nasilan. Zvijezde eksplodiravaju i oslobađaju elemente nastale u njihovim utrobama. Galaksije se žestoko sudaraju, a temperatura mjestimično doseže milijune C. Materija pak neumoljivo biva usisavana u crne rupe. Najveći dio ovih događanja vidljiv je samo u području visokoenergijskih X-zraka.

Plodno putovanje u Englesku
Godine 1928. diplomirani student fizike iz Indije, Subrahmanyan Chandrasekhar, otputio se u Englesku na daljnji studij na Sveučilištu Cambridge. Tijekom duge plovidbe, Chandrasekhar se bavio proračunima koliko bi trebala biti velika neka zvijezda da još podnese vlastitu gravitaciju, nakon što je potrošila sve svoje nuklearno gorivo. Zamisao je bila ova: kako zvijezda iscrpljivanjem goriva postaje sve manja, čestice njene tvari postaju sve bliže jedna drugoj. No, u skladu s tzv. načelom isključenja koje je formulirao fizičar Pauli, te čestice moraju imati vrlo različite brzine. To ih pak tjera na udaljavanje jednih od drugih, tj. prisutna je težnja za širenjem zvijezde. Ipak, mora postojati neki granični polumjer pri kojem se zvijezda još može održati uslijed uspostavljene ravnoteže između privlačne gravitacijske sile i odbojnosti uzrokovane načelom isključenja, baš kao što je u njenom ranijem životu vladala ravnoteža između gravitacije i topline. U protivnom zvijezda bi ili eksplodirala ili bi se "urušila" sama u sebe. No, kako teorija relativnosti ograničava maksimalnu razliku u brzinama čestica na brzinu svjetlosti, ako zvijezda postane dovoljno gusta, odbojnost uzrokovana načelom isključenja bit će manja od gravitacijskog privlačenja. Chandrasekhar je izračunao da se hladna zvijezda mase oko jedne i pol mase našega Sunca više neće moći odhrvati vlastitoj gravitaciji. Ta je masa danas poznata kao Chandrasekharova granica. Takva će se zvijezde smiriti u stanju poznatom kao "bijeli patuljak", polumjera nekoliko tisuća kilometara i gustoće nekoliko tisuća tona po kubičnom centimetru. Jedan od prvih otkrivenih "bijelih patuljaka" je jedna zvijezda koja kruži oko Siriusa, najsjajnije zvijezde na nebu. Nešto masivnije zvijezde, mase 1-2 Sunca skončat će pak kao neutronske zvijezde, čiji je polumjer reda veličine desetak kilometara, a gustoća više milijardi tona po kubičnom centimetru. Nasuprot tome, zvijezde mase veće od Chandrasekharove imaju daleko burniju budućnost kad istroše svoje gorivo. U nekim slučajevima eksplodiraju, čime zapravo odbacuju "višak" materije kako bi smanjile masu ispod Chandrasekharove granice. U protivnom dolazi do katastrofalnog gravitacijskog kolapsa, odnosno sažimanja zvijezde u jednu točku, tzv. crnu rupu. U takvim je uvjetima gravitacija toliko ogromna, da ništa, čak niti svjetlost, ne može izbjeći crnoj rupi, koje su baš po tome svojstvu i dobile ime. Crne rupe iskrivljuju prostor ali i vrijeme, te neki fizičari čak smatraju kako bi se pomoću njih moglo ostvariti i putovanje kroz vrijeme! Mogućnošću da zvijezde skončaju u jednoj točki ogromne gustoće bio je "užasnut" i sam Einstein, te je objavio rad u kojem je pokušao dokazati da nije moguće da se zvijezda stegne na nultu veličinu. Ipak, u pravu je bio Chandrasekhar, koji je za svoj rad bio godine 1983. nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku. Stoga nije čudno da su astronomi oduvijek željeli zaviriti u fascinantne, pa i bizarne fenomene poput super-gustih neutronskih zvijezda i crnih rupa. Nažalost, pri tim burnim događanjima nema posljedica koje bi bile opazive pomoću klasičnih teleskopa.

Opservatorij Chandra
Srećom po astronome, pri "umiranju" zvijezda razvijaju se temperature od više milijuna C, što pak za posljedicu ima snažne emisije X-zračenja. To je zračenje godine 1985. otkrio njemački fizičar Wilhelm Roentgen. Radi se o fotonima, odnosno "česticama" svjetlosti koji imaju energiju stotinama tisuća puta veću od optičkih fotona u vidljivom dijelu spektra. X-zrake spadaju u ionizirajuće zračenje, često pogrešno poznato pod nazivom radioaktivno zračenje, tj. zračenje koje ima sposobnost izazivanja ionizacije molekula u materijalu. Ionizirajuće zračenje predaje ozračenoj tvari energiju, te se zbog toga mijenjaju svojstva i zračenja i ozračene tvari. U živoj tvari ionizirajuće zračenje izaziva snažno biološko djelovanje jer uništava žive stanice. Srećom zemljina atmosfera djeluje kao štit od kozmičkih X-zraka, te sprječava ozračivanje živoga svijeta. Stoga, "osmatračnica" svemirskih X-zraka treba biti iznad Zemljine atmosfere. Upravo takav jedan svemirski opservatorij X-zraka bit će lansiran 9. srpnja 1999. U spomen na nobelovca Chandrasekhara opservatorij je nazvan Chandra. Dugačak je 13.8 m, širok 19.5 m (zajedno sa solarnima panelima), te ima masu 4.8 tona. Na cijeli je projekt utrošeno je 1.3 milijardi dolara i punih 20 godina planiranja. Za astronomiju X-zraka bit će to neviđeni alat: njegove slike bit će 25 puta oštrije u usporedbi s bilo kojim dosadašnjim opservatorijem X-zraka. Teleskop će imati prostornu rezoluciju od lučne sekunde, što je otprilike ekvivalentno sposobnosti razlikovanja prostim okom glave ili pisma na kovanici jedne kune na udaljenosti 3 km. Valja spomenuti i čudesna cilindrična ogledala za fokusiranje X-zraka, čija je površina najravnija ikada proizvedena na Zemlji, a za čiju je izradu bilo potrebno punih šest godina. Kada bi proporcionalno zemljina površina bila tako glatka, najveća planina bila bi visoka manje od dva metra!

Chandra

Chandra, svemirski opservatorij X-zraka, čudesno je djelo visoke tehnologije namijenjeno otkrivanju najskrivenijih tajni svemira, posebice tzv. tamne materije.



Znanstvena zadaća
Chandra će pomoći pri otkrivanju zagonetne "tamne materije" koja gravitacijskim silama "veže" ogromne koncentracije ekstremno vrućih plinova "odgovornih" za emisiju X-zraka u nekim galaksijama ili jatima galaksija. Na taj će način znanstvenicima biti omogućen uvid u starost i veličinu Svemira. To će pak pomoći u procjeni i same budućnosti Svemira, tog kozmološkog pitanja koje od pamtivijeka golica ljudsku maštu. Naime, o količini "tamne materije", odnosno materije koju ne možemo izravno zamijetiti, ovisi hoće li gravitacijska sila zaustaviti sadašnju ekspanziju, odnosno hoće li Svemir skončati u "Velikom stisku" kao antipodu Velikog praska. Astronomi će pomoću Chandre također bolje proučiti mehanizam na koji se stvaraju teški elementi u utrobama zvijezda i kako se ti elementi raspršuju u samrtnom hropcu tih istih zvijezda pri kolapsu u bijele patuljke, neutronske zvijezde ili crne rupe.

Dobra stara crna rupa
Ipak valja napomenuti da su i prije Chandre u zemljinu orbitu lansiran teleskopi X-zraka. Prvi takav opservatorij bio je NASA-in satelit Uhuru lansiran ranih sedamdesetih godina, koji je prvi dokazao da crne rupe zaista postoje. Jedan drugi satelit, Rossi X-ray Timing Explorer, poznatiji pod skraćenicom RXTE, lansiran 30. prosinca 1995., bio je dizajniran za proučavanje vremenske varijabilnosti toka X-zraka. Iako umjerene rezolucije, RXTE je u središtu naše galaksije otkrio crnu rupu koja možda cijelu našu galaksiju drži na okupu. Otprilike svakih pola sata iz svoje utrobe ta crna rupa u formi zračenja izbaci masu ekvivalntnu masi povećega asteroida. Ubrzo potom crna rupa sve to nadoknadi "proždiranjem" dijela mase obližnje zvijezde. Zbog sličnosti s gejzirom Old Faithful u američkom nacionalnom parku Yellowstone, koji se također aktivira u pravilnim vremenskim intervalima, ova je crna rupa dobila isto ime: Old Faithful. Vjerojatno će i Chandra dio svog vremena posvetiti proučavanju te, nama vjerojajatno najbliže, crne rupe. Zaista, jeste li se ikada, makar nakon ovoga teksta, zapitali kako bi izgledalo putovanje u crnu rupu? Ukoliko jeste, a imate pristup Internetu, posjetite WWW stranice na adresi http://antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/rjn_bht.html. MPEG računalne animacije povest će vas na uzbudljivo virtualno putovanje u nepoznata prostranstva Svemira i fizike. Približavate se crnoj rupi, kružite oko nje, približavate se još više... Animacije su znanstveno korektne, odnosno u skladu su s Einsteinovom Općom teorijom relativnosti, a popratni opisi su načinjeni majstorski, te su razumljivi neupućenim znatiželjnicima, ali i zanimljivi stručnjacima. Za sada još nitko ne prodaje aranžmane za turistička putovanje u crne rupe, no na ovom poslužitelju kao da ipak možete načiniti predbilježbu.

Old Faithful crna rupa

Old Faithful nazvali su astronomi crnu rupu u središtu naše galaksije u konstelaciji Orla. Na ovoj slici, "skinutoj" s video prezentacije održane na sastanku Američkog astronomskog društva, Old Faithful se upravo sprema "progutati" jednu zvijezdu (crvena kugla na lijevoj strani).



Zatvaranje spektra
Kao treći u seriji NASA-inih velikih satelitskih svemirskih opservatorija Chandra premošćuje dio elektromagnetskog spektra između Svemirskog teleskopa Hubble (Space Telescope Hubble) lansiranog još 1990. godine i Opservatorija svemirskih gama-zraka nastalih tzv. Comptonovim efektom (Compton Gamma Ray Observatory), lansiranog 1991. Lansiranje četvrtog satelita nazvanog Space Infrared Telescope Facility, koji je namijenjen proučavanju infracrvenog dijela spektra planirano je za 21. stoljeće, tj godinu 2001. Ukoliko se sve bude razvijalo po planu, Chandra će funkcionirati najmanje deset godina. Ipak, u svojoj zadaći neće ostati usamljen. U bliskoj se budućnosti planira lansiranje još nekoliko satelita s teleskopima X-zraka. To su njemački ABRIXAS (A BRoad-band Imaging X-ray All-sky Survey), čije se lansiranje planira za ovo proljeće, japansko-američki Astro-E, čije je lansiranje planirano za veljaču 2000., te naposljetku X-ray Multimirror Mission, Europske svemirske agencije koji će biti spreman u proljeće 2000. Kako će podatke dobivene uz pomoć ovih opservatorija koristiti doslovce tisuće i tisuće znanstvenika, najvjerojatnije nas očekuju mnoga uzbuđenja. Znanost je naime ponajčešće nevjerojatnija od znanstvene fantastike. Stoga nije isključeno da će se zbog otkrića koja bi znanstvenici mogli načiniti uz pomoć Chandre i njegovih suputnika uskoro morati prepravljati mnoge knjige iz fizike.

Croatian Line

Last Update: 16 April 1999.

[ http://mimi.imi.hr/~franic]

Webtechs Cougar Checked
Webtechs Cougar Checked!

However, please note there are some non SGML characters in text