NEVIDLJIVA SVJETLOST IZ SVEMIRA

Naše znanje o svemiru najvećim se dijelom temelji na podacima koje je donijela svjetlost iz svemira. Dugi jeniz godina to bila isključivo vidljiva svjetlost, mali dio elektromagnetskog spektra u kojem smo opažalinajprije golim okom, a potom sve naprednijim optičkim teleskopima. Tehnička dostignuća, od druge polovice20. stoljeća do danas, omogućila su otvaranje novih "prozora u svemir" – opažanja kozmičkih objekata ipojava u drugim dijelovima elektromagnetskog spektra. Ta svjetlost, nevidljiva golom oku, otkrila nam jenovi, dotad nepoznati svemir. S obzirom da Zemljina atmosfera propušta samo dio elektromagnetskogspektra, vidljivu svjetlost i radiovalove, nakon optičke astronomije prva nova astronomija bila jeradioastronomija. Radioteleskopi su, kao i optički teleskopi, smješteni na površini Zemlje. Opažanja iznadatmosfere, u područjima spektra nedostupnima s površine našeg planeta, omogućili su umjetni sateliti.Slučajno otkriće rendgenskog i gama-zračenja, do kojega je došlo u špijunskom traganju za nuklearnomaktivnošću, potpuno je promijenilo naše poimanje svemira. Dotad se smatralo da su svemirski izvoriuglavnom termički uravnoteženi objekti poput Sunca. Godine 2002. dodijeljena je Nobelova nagrada zarazvoj rendgenske astronomije. Zadnjih četvrt stoljeća izuzetno je uspješna gama-astronomija, najmlađagrana astronomije, a naročito visokoenergijska gama-astronomija kojom se danas bave samo trimeđunarodne kolaboracije okupljene oko tri sustava Čerenkovljevih teleskopa: MAGIC, H.E.S.S. i VERITAS.Značajnu ulogu u kolaboraciji MAGIC ima hrvatska grupa astrofizičara.

GAMA-ZRAKEIz perspektive fizičara, svjetlost je elektromagnetsko zračenje1. Svjetlost u užem smislu, ili vidljivasvjetlost, ono je elektromagnetsko zračenje na koje je osjetljiva mrežnica ljudskoga oka. Svjetlost uširem smislu, ili samo svjetlost, je sve elektromagnetsko zračenje – ono koje možemo opaziti golimokom i ono drugo, koje možemo opaziti samo s pomoću posebnih instrumenata. S obzirom na vrsteizvora zračenja i na načine međudjelovanja zračenja s tvari, elektromagnetsko zračenjetradicionalno dijelimo na: radiovalove, mikrovalove, infracrveno zračenje, vidljivu svjetlost,ultraljubičasto zračenje, rendgensko zračenje i gama-zračenje. Sva ta područja zajedno nazivamoelektromagnetskim spektrom.Zračenje iz bilo kojeg dijela elektromagnetskog spektra može se jedinstvno odrediti sa samojednom od tri fizičke veličine: ili valnom duljinom, ili frekvencijom ili energijom. Znamo li bilokoju od tih triju fizičkih veličina lako možemo izračunati druge dvije. Hoćemo li elektromagnetskozračenje opisivati valnom duljinom, frekvencijom ili energijom, stvar je izbora. Kodelektromagnetskog zračenja velikih valnih duljina (što odgovara malim frekevencijama i malimenergijama) naglašena je valna priroda zračenja pa je za opis najprikladnije odabrati valnu duljinu.Kod elektromagnetskog zračenja malih valnih duljina (što odgovara velikim frekevencijama ivelikim energijama) naglašena je čestična priroda zračenja pa je za opis najprikladnije odabratienergiju. U drugom slučaju, koji je tipičan za gama-astronomiju, do izražaja također dolaziindividualnost čestica svjetlosti ili fotona. Gama-astronomi doslovno broje fotone i opisuju ihisključivo energijom. Zato su u tablici 1. granice područja u elektromagnetskom spektru izraženepreko energija fotona. Vidi se, primjerice, da ultraljubičasti foton ima barem 10 puta veću energijuod fotona vidljive svjetlosti; da rendgenski foton ima barem 100 puta veću energiju od fotonavidljive svjetlosti; te da gama-foton ima barem 100000 puta veću energiju od fotona vidljivesvjetlosti. Neki od kozmičkih gama-fotona koje opaža teleskop MAGIC imaju 30 bilijuna (taj sebroj piše s trinaest nula) puta veću energiju od energije fotona vidljive svjetlosti. Cijelo gama-područje spektra, koje grubo odgovara energijama fotona većim od 100 keV, može se daljepodijeliti u nekoliko podpodručja, kao što je prikazano u tablici 2. Postoji opravdani razlog za takvupodjelu: u različitim podpodručjima dominiraju različiti mehanizmi međudjelovanja zračenja i tvari,što zahtijeva različite vrste detekcijskih instrumenata.

1Objašnjenje elektromagnetskog zračenja izlazi izvan okvira ovog teksta. Recimo samo da se radi o prirodnoj pojavi koja, između ostalog, ima svojstva vala (širi se kroz prostor i prenosi energiju), ali i svojstva čestice (ima količinu gibanja premda nema masu).

D. Hrupec, Nevidljiva svjetlost iz svemira, Priroda, 3/15 (2015)

PODRUČJE CIJELOG SPEKTRA ENERGIJA FOTONA

radio manje od 10 μeV

mikro od 10 μeV do 1 meV

infracrveno od 10 meV do 1 eV

vidljivo od 1 eV do 10 eV(preciznije: od 1,77 eV do 3,10 eV)

ultraljubičasto od 10 eV do 100 eV

rendgensko od 100 eV do 100 keV

gama više od 100 keV(preciznije: više od 512 keV)

Tablica 1. Elektromagnetski spektar izražen u energijama fotona. Foton vidljive svjetlosti ima energiju otprilike 1 eV što odgovara 1,6 · 10−19 J. Predmeci su: μ = 10−6, m = 10−3 i k = 103.

PODRUČJE GAMA-SPEKTRA ENERGIJA FOTONA

niske energije od 100 keV do 100 MeV

visoke energije od 100 MeV do 100 GeV

vrlo visoke energije od 100 GeV do 100 TeV

ultra visoke energije od 100 TeV do 100 PeV

ekstremno visoke energije više od 100 PeV

Tablica 2. Podjela gama-područja na podpodručja. Predmeci su: M = 106, G = 109, T = 1012, P = 1015.

GAMA-ASTRONOMIJAKao što je bilo spomenuto u uvodu, Zemljina atmosfera transparentna je uglavno samo za vidljivusvjetlost i radiovalove. Tek nešto malo kozmičkog zračenja iz drugih dijelova elektromagnetskogspektra može proći kroz cijeli atmosferski omotač – primjerice ultraljubičaste zrake najnižihenergija. No, već nam i one zadaju probleme. Mogu izazvati previše oštećenja tkiva namolekularnoj razini te uzrokovati rak kože. Srećom po nas, ultraljubičaste zrake viših energija,rendgenske zrake i gama-zrake iz svemira ne mogu proći kroz atmosferu. One se u atmosferiapsorbiraju što zapravo znači da međudjeluju s atomima kisika i dušika, odnosno njihovimatomskim jezgrama, pri čemu nastaje mnoštvo novih čestica na koje se raspodjeli velika energijaizvornog fotona. Dakle, ultraljubičaste zrake visokih energija, rendgenske zrake i gama-zrake iz svemira ne možemoizravno opažati detektorima koji su smješteni na površini Zemlje. Za takva opažanja instrumentevalja podići što više iznad tla, po mogućnosti iznad atmosfere. To se može učiniti kratkotrajnoistraživačkim balonima ili dugotrajno, ali i puno skuplje, umjetnim satelitima. Danas postojimnoštvo satelita koji nose znanstvene instrumente i opažaju svemir u područjimaelektromagnetskog spektra koja su nedostupna s površine Zemlje. U gama-području, prvi satelitibili su SAS-2 (koji je opažao 1973. godine) i COS-B (koji je opažao od 1975. do 1982. godine).Veliki napredak gama-astronomije dogodio se zahvaljujući gama-teleskopu EGRET (EnergeticGamma Ray Experiment Telescope) smještenom na satelitu CGRO (Compton Gamma RayObservatory), koji je opažao od 1991. do 2000. godine.

D. Hrupec, Nevidljiva svjetlost iz svemira, Priroda, 3/15 (2015)

Danas su aktivna četiri gama-sateliti: INTEGRAL (lansiran 2002.), SWIFT (lansiran 2004.), AGILE(lansiran 2007.) te najveći i najvažniji Fermi (koji je bio lansiran 2008. godine). Fermi ili FGST(Fermi Gamma-ray Space Telescope) osjetljiv je u području od 20 MeV to 300 GeV (Sl. 1).Međutim, prema gornjoj detekcijskoj granici njegova osjetljivost naglo pada zato što tok gama-zračenja eksponencijalno pada s energijom, a detekcijska površina satelita je relativno mala. TakoFermi vrlo rijetko opaža gama-fotone vrlo visokih energija, iznad 100 GeV. Ostala tri gama-satelitaimaju još nižu gornju granicu detekcije. A gama-područje proteže se daleko iznad 100 GeV i što jejoš važnije, postoje razni objekti koji zrače u području vrlo visokih energija. Kako njih detektirati?S jedne strane, gama-zrake ne dopiru do tla, a s druge strane gama-fotoni vrlo visoke energije izvansu dosega gama-teleskopa na satelitima.

Slika 1. Umjetnički prikaz satelita Fermi, lansiranog 2008. godine, koji kozmičke gama-izvore opažavećinom u području niskih i jednim dijelom u području visokih energija, od 20 MeV to 300 GeV. Izvor:http://fermi.gsfc.nasa.gov/inc/img/spacecraft.jpg

Srećom, postoji rješenje. Gama-zrake vrlo visoke energije, iznad 100 GeV, mogu se detektirati napovršini Zemlje – ali posredno, ne izravno. Naime, kozmički gama-fotoni vrlo visokih energija uatmosferi stvore toliko sekundarnih čestica, toliko velike energije, da se njihov učinak može opazititeleskopom smještenim na tlu. Te sekundarne čestice visokih energija nazivamo pljuskom čestica uatmosferi. Dakle, svaka primarna gama-zraka vrlo visoke energije generira jedan pljusak čestica uatmosferi2.Sekundarne čestice koje nastaju od primarne kozmičke gama-zrake i formiraju pljusak uglavnomsu: elektroni, pozitroni i fotoni (ponovo gama-zrake, ali sada nižih energija). Pljusak počinje tipičnona nadmorskoj visini od oko 20 km i proteže se kilometrima prema tlu. To je veći što je većaenergija primarne gama-zrake. Vrlo slične pljuskove inicira i kozmičko zračenje (nabijene atomskejezgre, uglavnom protoni). Takve pljuskove nazivamo hadronskim pljuskovima, a oni osimelektrona, pozitrona i fotona sadrže još: pione, mione, protone, neutrone i druge čestice.Obje vrste pljuskova, i hadronski i gama-pljuskovi, sadrže ogroman broj električki nabijenih česticakoje se kroz zrak gibaju brzinom većom od brzine svjetlosti u zraku. Te brze, nabijene čestice uzraku stvaraju Čerenkovljevo zračenje, što je opet elektromagnetsko zračenje, ali sada uultraljubičastom i vidljivom području. Bljesak Čerenkovljevog zračenja iz pojedinog pljuska uatmosferi je vrlo slabašan (nevidljiv golim okom), ali vrlo kratkotrajan i jako usmjeren pa se možerazlučiti od pozadinske svjetlosti noćnog neba. Za opažanje Čerenkovljevog zračenja iz pljuskovačestica u atmosferi razvijena je posebna vrsta teleskopa – Čerenkovljev teleskop. Trebalo je više odtrideset godina usavršavanja detekcijskih tehnika da se Čerenkovljevim teleskopom pouzdanodetektira prvi visokoenergijski kozmički gama-izvor. Čerenkovljev teleskop koji je to ostvario nosio

2O pljuskovima čestica u atmosferi u Prirodi je bio pisao moj nekadašnji student Nikola Baran. Baran, N. (2013): Pljuskovi čestica u atmosferi, Priroda, 2/13, 42-48.

D. Hrupec, Nevidljiva svjetlost iz svemira, Priroda, 3/15 (2015)

je naziv Whipple. Sustav Čerenkovljevih teleskopa VERITAS, nasljednik je teleskopa Whipple.Nalazi se u Arizoni i jedan je od tri danas postojeća sustava Čerenkovljevih teleskopa. Drugi jeH.E.S.S. koji je smješten je u Namibijskoj pustinji. Treći se nalazi na vrhu kanarskog otoka LaPalme i nosi naziv MAGIC (Sl. 2). Međunarodnu kolaboraciju MAGIC čini oko 170 članova izdeset zemalja među kojima je i Hrvatska. Hrvatski članovi kolaboracije MAGIC su Ana Babić, IvaŠnidarić, Tihomir Surić i Dario Hrupec s Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu, zatim DijanaDominis Prester i Tomislav Terzić sa Sveučilišta u Rijeci te Nikola Godinović, Ivica Puljak i DamirLelas sa Sveučilišta u Splitu te Daniel Ferenc s Kalifornijskog sveučilišta Davis. Prvi od dvateleskopa MAGIC proradio je 2003. godine, a drugi je dodan 2009. godine kad je i Hrvatska ušla upunopravno formalno članstvo kolaboracije MAGIC.

Slika 2. Jedan od dvaju teleskopa MAGIC, smještenih na kanarskom otoku La Palmi, koji kozmičke gama-izvore opažaju jednim dijelom u području visokih energija te većinom u području vrlo visokih energija, od50 GeV to 30 TeV. Izvor: autor

IZVORI KOZMIČKIH GAMA-ZRAKAPrvi visokoenergijski kozmički gama-izvor detektiran je teleskopom Whipple, 1989. godine. Bila jeto Rakova Maglica, ostatak supernove čija su eksploziju, još 1054. godine, zabilježili kineskiastronomi. Od nas je udaljena oko 6500 svjetlosnih godina3. Inače, eksplozija supernove je završnistadij razvoja vrlo masivne zvijezde. Zvijezdu tada urušava njezina vlastita gravitacija nakon što,zbog potrošenog goriva, popusti unutrašnji tlak kojega su dotad stvarale termonuklearne reakcije.Vanjski slojevi zvijezde razlete se u okolni prostor, a unutrašnji se dio sabije u kuglu promjera oko25 kilometara (što je otprilike veličina Zagreba). Taj unutrašnji ekstremno gusti ostatak zvijezdenazivamo pulsarom (Sl. 3). Zbog zakona očuvanja kutne količine gibanja pulsar rotira nevjerojatnobrzo – okrene se oko svoje osi i do tisuću puta u jednoj sekundi. Pokazalo se da i pulsari, ne samovanjski ostaci supernova, emitiraju gama-zrake. Pulsacija u visokoenergijskom gama-području izRakovog pulsara otkrivena je teleskopima MAGIC, 2008. godine. Ostaci supernova i pulsari sugalaktički izvori visokoenergijskog gama-zračenja, što znači da se nalaze unutar naše galaksije.

3Svjetlosna godina uobičajena je mjera za udaljenost u astronomiji. Jedna svjetlosna godina je udaljenost koju svjetlost u vakuumu prijeđe za godinu dana. To je otprilike deset bilijuna kilometara. Najbliža susjedna zvijezda od Sunca je udaljena oko četiri svjetlosne godine.

D. Hrupec, Nevidljiva svjetlost iz svemira, Priroda, 3/15 (2015)

Slika 3. Umjetnički prikaz pulsara, brzorotirajuće neutronske zvijezde, koja dio svojeg zračenja emitira ugama-području Izvor: http://www.nasa.gov/images/content/283511main_fermigrop_pulsarmodel_HI.jpg

Nakon što je osjetljivost Čerenkovljevih teleskopa dovoljno porasla, 1992. godine, otkriven je,ponovo teleskopom Whipple, prvi izvangalaktički izvor visokoenergijskog gama-zračenja,Markarjan 421. Radilo se o aktivnoj galaktičkoj jezgri koja je od nas udaljena oko 400 milijunasvjetlosnih godina. Za usporedbu, nama najbliža galaksija, Andromeda, udaljena je 2,5 milijunasvjetlosnih godina. Svaka aktivna galaktička jezgra (Sl. 4) sastoji se od supermasivne crne rupe,akrecijskog diska i dva dugačka, nasuprotna mlaza čestica i zračenja. Supermasivne crne rupe sucrne rupe koje imaju mase od milijun do milijardu puta veće od mase Sunca. Nalaze se u središtimagotovo svih galaksija, pa i u našoj. Akrecijski disk je struktura koja nastaje oko središnjeg vrlomasivnog objekta – u slučaju aktivne galaktičke jezgre, nastaje oko supermasivne crne rupe – opetzbog očuvanja kutne količine gibanja. Naime, materija koja pada prema supermasivnoj crnoj rupine pada pravocrtno nego kružno te na kraju oblikuje disk. Taj disk nije kruto tijelo, različiti seslojevi gibaju različitim brzinama pa nastaju brojni sudari čestica. U tim sudarima pak nastajerendgensko i gama-zračenje. Premda je sama crna rupa, po definiciji, područje iz kojeg ne moženišta izaći pa ni zračenje, okoline crnih rupa obično su područja izuzetno snažne emisijevisokoenergijskog zračenja.

Slika 4. Umjetnički prikaz aktivne galaktičke jezgre u čijim mlazovima nastaju gama-zrake visokih i vrlovisokih energija. Izvor: http://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/basic/gamma/agn_big.jpg

D. Hrupec, Nevidljiva svjetlost iz svemira, Priroda, 3/15 (2015)

Danas, četvrt stoljeća nakon otkrića prvih izvora gama-zračenja vrlo visoke energije (iznad 100GeV), broj poznatih izvora veći je od 150. Slika 5 prikazuje raspodjelu tih izvora u galaktičkomkoordinatnom sustavu. Za središte tog koordinatnog sustava odabrano je središte naše galaksije.Središnja linija, uzduž koje je nagomilano mnogo izvora, jest galaktička ravniva. Izvori koji susmješteni na toj središnjoj liniji velikom su većinom galaktički izvori: ostaci supernova i pulsari.Izvori koji su ravnomjerno raspoređeni po galaktičkom koordinatnom sustavu, a naročito oni koji subliže galaktičkim polovima (označenima s +90o i 90o) većinom su izvangalaktički izvori: aktivnegalaktičke jezgre. Niz Čerenkovljevih teleskopa, CTA ili Cherenkov Telescope Array, koji bi trebaopočeti s opažanjima 2020. godine, povećat će broj poznatih izvora na oko 1000. Time će seznačajno poboljšati razumjevanje svih dosad poznatih visokoenergijskih procesa i objekata usvemiru te, prilično sigurno, omogućiti otkrivanje novih procesa i novih objekata. U svakomslučaju, u idućim bismo desetljećima trebali upoznati novo lice svemira, ono koje danas vjerojatnone možemo ni naslutiti.

Slika 5. Katalog kozmičkih objekata koji zrače u vrlo visokoenergijskom gama-području. Trenutno sadrživiše od 150 objekata, galaktičkih i izvangalaktičkih. Izvor: http://tevcat.uchicago.edu/

D. Hrupec, Nevidljiva svjetlost iz svemira, Priroda, 3/15 (2015)