Astronomia pod strzechy XI – o kolejnym triumfie astronomii wielozakresowej

Drogi Czytelniku – ostatnie postępy astronomii obserwacyjnej przyprawiają o lekki zawrót głowy: fale grawitacyjne, kilonowa, wreszcie odkrycie dokonane ponad 8 miesięcy temu (we wrześniu 2017 roku) ale ogłoszone prasie fachowej dopiero teraz.

Zdjęcie jednej z najsłynniejszych AGN (Active Galactic Nuclei) – Centeurusa A.
Charakteryzuje się silną anizotropią promieniowania.

To może być rozwiązanie zagadki pochodzenia istotnego składnika promieni kosmicznych – neutrin. Z racji braku ładunku ich tor poprzez Wszechświat nie ulega zakrzywieniu. Nie jest to też cząstka namagnesowana, więc również ziemskie pole magnetyczne jej nie odchyla. Prawie że nie mają masy ale co ważniejsze – oddziałują bardzo słabo z materią dlatego przenikają przez nią, sporadycznie dając sygnał o swojej obecności (fizycy mówią, że mają bardzo mały przekrój czynny na reakcje).

Słyszeli Państwo o promieniach kosmicznych – ich widmo analizuje każdy student astronomii (ha, prawda: nie ma ich zbyt wielu. Wobec tego zamieszczam rysunek). Sięgają najwyższych znanych nam energii, milion razy przekraczających energię cząstek w LHC (Large Hadron Collider – wielkim zderzaczu hadronów). Rekord wynosi około 3*10^20 eV – prawie jak pocisku artyleryjskiego, tylko za sprawą jednej cząstki, nazwanej filuternie przez fizyków „Oh-My-God Particle“.

Widmo promieni kosmicznych (strumień w jednostce czasu vs energia cząstek.
Im bardziej energetyczne cząstki tym jest ich mniej). Żródło – Wikipedia.

Promieniowanie kosmiczne odkrył Victor Hess ponad 100 lat temu. Unosząc się balonem wiele kilometrów wzwyż obserwował wskazanie pokładowego elektroskopu i stwierdził że liczba oddziaływań z listkami elektroskopu z wysokością zamiast maleć to rośnie. Czyli że tajemnicze promienie dochodzą do nas spoza atmosfery. Nie mógł odkryć neutrin ale cząstki naładowane – już tak. Już samo to odkrycie było szokiem dla nienaukowej publiczności. Promieniowanie z Kosmosu?

Lądowanie Victora Hessa z eskapady balonowej. American Physical Society, public domain.

Płynął czas, instrumenty astronomiczne robiły się coraz doskonalsze ale żaden z nich nie mógł udzielić odpowiedzi na pytanie o genezę CR (Cosmic Rays). Po drodze odkryto i potwierdzono teorię neutrin słonecznych (warto tu wspomnieć Hansa Bethego który oszacował oczekiwany strumień neutrin przy założonym modelu wnętrza Słońca), uchwycono neutrina z supernowej 1987A (około dziesięciu) i… cisza. A najwyraźniej neutrina do nas dochodziły także z innych kierunków.

Model blazara i reakcji chemicznych prowadzących do produkcji neutrina –
jednego ze składników promieniowania kosmicznego wysokich energii. Źródło – IceCube/NASA.

Kilkanaście lat temu zapostulowano aby teleskopy obserwujące na Ziemi i na jej orbicie sprzęgnąć w jeden system instrumentów, obserwujący jednocześnie na różnych długościach fal: radiowej, podczerwonej, widzialnej, w ultrafiolecie, promieniach X (Roentgena) miękkich i twardych, wreszcie w promieniach gamma (które także dzielą się na mniej i bardziej energetyczne). To dawałoby szansę na objęcie badaniem całego widma elektromagnetycznego obserwowanych obiektów.

Wygląd blazara w zależności od kierunku patrzenia – raz „edge-on”, raz „en face”.
W tym drugim przypadku emisja promienowania z relatywistycznego jetu jest wzmocniona.
Rysunek: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF.

Istniały przypuszczenia, że niektóre klasy obiektów są różnie klasyfikowane w zależności od geometrii (jak w aktywnych jądrach galaktyk, w skrócie AGN), częstotliwości (jak niektóre pulsary), odległości (jak galaktyki i kwazary) czy etapu ewolucji (jak gwiazdy) i w rzeczywistości mamy do czynienia z mniejszą liczbą rodzajów obiektów (fizycznie), które jednak obserwujemy w różnych konfiguracjach.

Rozmieszczenie instrumentów podążających po detekcji na IceCube neutrina.
Na niebiesko obserwacja potwierdzona, na różowo – brak potwierdzenia.
Kropki – instrumenty naziemne, stożki – instrumenty satelitarne.
Widać wyraźnie sprawność działania systemu w przypadku tego zdarzenia (IC170922).
Źródło – Nicole R. Fuller, NSF/ICeCube.

Potrzeba było stworzyć sieć obserwacyjną, która byłaby sprzężona i informowała się nawzajem o jakimś wyjątkowym zjawisku aby obserwować je potem już wspólnie. Ponieważ każdy instrument – czy to naziemny, czy orbitujący – ma swój zakres czułości (energii), który optymalnie wychwytuje, takie wspólne obserwacje nazwano astronomią wielozakresową (multi-messenger astronomy). Prace nad takim systemem trwały co najmniej od początku wieku XXI.

Wizja artystyczna detektora IceCube na Anterktydzie (wejście)
oraz obserwowanego przezeń rozbłysku z blazara (po prawej).
Źródło: IceCube/NSF.

Trzeba było rozstrzygnąć, które detektory miały informować inne. Najbardziej naturalne wydawało się poszukiwanie sygnału od tych obserwatoriów, które mogły rejestrować zjawiska bardzo rzadkie, trudno uchwytne (jak LIGO i VIRGO dla fal grawitacyjnych czy IceCube dla neutrin) a potem przesłanie wiadomości o kierunku nadejścia fali/neutrina innym instrumentom, które nie obserwują całego nieba ale z kolei mają lepszą rozdzielczość (precyzję kierunkową) i większą czułość.

Mechanizm detekcji kierunkowej w instrumencie IceCube –
kolejne detektory pozwalają wyznaczyć kierunek,
w którym pędzi mion oraz jego energię.
Mion powstaje w reakcji z cząsteczkami wody neutrina
(por. rysunek powyżej). Źródło – IceCube.

Co do detektora IceCube – jest to detektor wykorzystujący mechanizm wykrywania mionów, które jednak powstać tam mogą w efekcie reakcji neutrin z cząsteczkami lodu. Wyznaczywszy kierunek podróżowania mionu można określić kierunek nadejścia neutrina. Wcześniejsze detekcje neutrin i następujące po nich kampanie obserwacyjne całej sieci teleskopów (naziemnych i satelitarnych, patrz rysunek) zdawały się co jakiś czas wskazywać na związek kierunku z którego przybywają neutrina z pozycją na niebie obiektów typu BL Lac – potem nazwanych blazarami.

Blazary to prawdopodobnie podtyp AGNów (czarnych dziur o masach galaktycznych, z intensywną emisją wysokoenergetycznego promieniowania) o jetach skierowanych w naszą stronę. Odkrycie w ubiegłoroczny wrzesień neutrina idealnie koincydującego z rozbłyskiem blazara 4 mld lat świetlnych od Ziemi dostarczyło niezbitego tym razem dowodu na związek blazarów z wystrzeliwaniem neutrin promieniowania kosmicznego. Zjawisko – podobnie jak w przypadku kilonowej – obserwowało kilkanaście teleskopów, większości z nich udało się uzyskać efekt „na gorąco“.

Wizja artystyczne jetu wyrzucanego przez czarną dziurę w obrębie silnika centralnego blazara.
Źródło – DESY, Science Communication Lab.

Jest to kolejny dowód na słuszność obranego przez astronomów kilkanaście lat temu kierunku – połączenia sił i obserwacji danego zjawiska wieloma instrumentami jednocześnie (i w jednym kierunku, ale w zachodzących na siebie częstotliwościach). Ponieważ temat jest gorący, można się spodziewać jego szerszego omówienia w prasie popularnonaukowej. Tak w przypadku kilonowej, jak i blazara zjawiskiem, które zaszło po detekcji fali grawitacyjnej czy neutrina był błysk gamma, do niedawna spędzający sen z oczu trzem czy czterem pokoleniom astronomów.

Jeden z odwiertów ICeCube mieszczący sznur detektorów promieniowania z mionów.
Źródło – B. Gutbjardsson, IceCube.

Co do wielu innych cząstek – ich tory są na ogół zaburzone przez różne rodzaje oddziaływań. Neutrina – podobnie jak gazy szlachetne w chemii – prawie nie oddziałują ze znanymi nam typami materii więc można za pomocą nich testować własności Wszechświata jako całości, takiego jaki był przed miliardami lat. To uzmysławia jak pięknym – i jednocześnie, jak prostym tworem jest nasz Kosmos. Z drugiej strony, jedno odkrycie indukuje serię kolejnych pytań, które czekają na odpowiedź przez następne pokolenia – i astronomów, i używanych przez nich instrumentów. Osobiście jestem ciekaw efektów wystrzelenia w 2021 roku (jak się obecnie planuje) ponad 6-metrowego teleskopu optycznego James’a Webb’a, następcy jakże zasłużonego w 30-letniej służbie HST (Hubble Space Telescope).

Komiks propagujący treści naukowe związane z IceCube i siecią instrumentów
śledzących sygnały z dalekich galaktyk. Źródło – IceCube Collaboration.

Marcin Kolonko
PTMA Kraków

PS. Napisane w oparciu o serwisy pism „Astronomy“, „Sky&Telescope“ i „Vox“.

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.