Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 43 – vyšlo 2. listopadu, ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

43/2007

NuSTAR, černé díry a bílá místa poznání

Jiří Kracík

Hmotné hvězdy v závěrečných fázích vývoje explodují a vyvrhují do svého okolí vysokými rychlostmi plyn žhavý miliony stupňů. Černé díry nenasytně požírají plyn, prach a někdy dokonce celé hvězdy, které se dostanou do jejich blízkosti. Aktivní jádra galaxiíAGN – Active Galactic Nuclei, aktivní jádra galaxií. Tato jádra produkují netepelné pulzní UV a RTG záření, v centru sídlí velmi hmotná černá díra obklopená akrečním diskem (n ~ 10¹⁶ cm^-3, T ~ 10⁵ K, B ~ 0,2 T). Přepojení silokřivek magnetického pole je doprovázeno ohřevem elektronů až na 10⁹ K a rentgenovým či gama zábleskem. Existuje celá řada galaxií s aktivními jádry, například Seyfertovy galaxie, linery, blazary a kvazary. obsahují obří černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. vyvrhující do okolí látku ve výtryscích viditelných z celého vesmíru. Svědectvím o těchto procesech je tvrdé rentgenové záření, které bylo doposud skryto našim přístrojům. To by měl změnit americký projekt družice NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array).

NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. Chandra – družicová observatoř NASA zkoumající vesmír v rentgenovém oboru. Byla vypuštěna v roce 1999. Na palubě observatoře je rentgenový dalekohled o průměru 1,2 m a ohniskové vzdálenosti 10,05 m, tvořený čtyřmi soubory souosých paraboloidně-hyperboloidních zrcadel o délce 0,85 m, se zorným polem o průměru 1,0° a s rozlišením 0,5″. XMM-Newton – X ray Multi Mirror, rentgenový dalekohled na oběžné dráze (Evropská rentgenová observatoř). Jeho hlavní součástí jsou tři systémy soustředných pozlacených zrcadel o celkové ploše 120 m2. Evropská kosmická agentura (ESA) vypustila do vesmíru observatoř XMM-Newton 10. prosince 1999 z paluby rakety Ariane 5.

NuSTAR tvoří tři souosé dalekohledy a detektor. Rameno mezi oběma částmi je
vysouvatelné a na oběžné dráze bude mít délku deset metrů. Zdroj: NASA

NuStar s vysunutým ramenem a panely slunečních baterií. Umělecká vize NASA

Mise astronomické družice, která poprvé v historii otevře oblohu pro podrobné studium rentgenového záření, navazuje na americkou observatoř ChandraChandra – družicová observatoř NASA zkoumající vesmír v rentgenovém oboru. Byla vypuštěna v roce 1999. Na palubě observatoře je rentgenový dalekohled o průměru 1,2 m a ohniskové vzdálenosti 10,05 m, tvořený čtyřmi soubory souosých paraboloidně-hyperboloidních zrcadel o délce 0,85 m, se zorným polem o průměru 1,0° a s rozlišením 0,5″. a evropskou observatoř XMM-NewtonXMM-Newton – X ray Multi Mirror, rentgenový dalekohled na oběžné dráze (Evropská rentgenová observatoř). Jeho hlavní součástí jsou tři systémy soustředných pozlacených zrcadel o celkové ploše 120 m². Evropská kosmická agentura (ESA) vypustila do vesmíru observatoř XMM-Newton 10. prosince 1999 z paluby rakety Ariane 5.. Konstrukce těchto dalekohledů umožňovala sledování měkkého rentgenového záření až do energie 10 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Observatoř NuStar připravovaná NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. umožní vidět vesmír v energiích od 6 keV do 80 keV. Navíc má NuSTAR více než 500 násobnou citlivost oproti předchůdcům a rentgenový obraz je možné velmi dobře zaostřit pomocí soustavy 130 do sebe vnořených skleněných válců. Právě zaostření rentgenových paprsků je technologicky mimořádně obtížné. Senzory detektorů budou pečlivě testovány v dubnu 2008 při balónovém experimentu.

Projekt NuSTAR byl započat již v roce 2003, v roce 2006 ho ale NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. pozastavila kvůli přetrvávajícím problémům s financováním. V září 2007 byl projekt opět obnoven a v jeho přípravě se intenzivně pokračuje. NuSTAR je součástí programu NASA Explorer Program, který má zajišťovat umisťování malých a středních družic na oběžné dráze ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. s co možná nejnižšími náklady. V kalendáři událostí NASA pro nadcházející léta spadá NuSTAR mezi rok 2009, kdy bude vypuštěna infračervená družice WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer), a rok 2013, na který se plánuje start nového kosmického dalekohledu JWST (James Webb Space Telescope)JWST (James Webb Space Telescope) – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru..

Cíle mise

1. Výzkum černých děr všech hmotností. Černé díry nasávající velké množství hmoty z okolí svítí velice intenzivně v rentgenové části spektra a tento signál se dokáže dostat z center galaxií díky penetračním schopnostem tvrdého rentgenového záření. Tvrdé rentgenové záření má tendenci procházet plyny a prachem galaxií o mnoho lépe než měkké rentgenové záření, proto bude NuSTAR mnohem účinnější při vyhledávání černých děr než jeho předchůdci. Observatoř NuSTAR má ideální předpoklady pro zjištění rozdělení černých děr ve vesmíru na všech škálách. Bude také sledovat výtrysky urychlených částic z černých děr, zejména z aktivních jader galaxiíAGN – Active Galactic Nuclei, aktivní jádra galaxií. Tato jádra produkují netepelné pulzní UV a RTG záření, v centru sídlí velmi hmotná černá díra obklopená akrečním diskem (n ~ 10¹⁶ cm^-3, T ~ 10⁵ K, B ~ 0,2 T). Přepojení silokřivek magnetického pole je doprovázeno ohřevem elektronů až na 10⁹ K a rentgenovým či gama zábleskem. Existuje celá řada galaxií s aktivními jádry, například Seyfertovy galaxie, linery, blazary a kvazary..

Aktivní jádro galaxie s typickým výtryskem, umělecká vize.
Zdroj: Aurore Simonnet, Sonoma State University

2. Produkce prvků v rázových vlnách supernov. Dalším cílem bude sledování zbytků mladých supernov, které září v RTG oboru. Tyto zbytky stále vysílají signály, které mohou objasnit vznik těžkých prvků v rázových vlnách supernovSupernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi.. NuSTAR bude pozorovat radioaktivní zbytky titanuTitan (prvek) – Titanium, šedý až stříbřitě bílý lehký kov, poměrně hojně zastoupený v zemské kůře. Je poměrně tvrdý a mimořádně odolný proti korozi. Jeho výrazně většímu technologickému uplatnění brání doposud vysoká cena výroby čistého kovu. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů. Titan byl objeven roku 1791 anglickým chemikem Williamem Gregorem. a vápníkuVápník – Calcium, nejvýznamnější prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, lehký, velmi reaktivní kov. Vápenaté sloučeniny jsou lidstvu známy již od starověku - pálením vápence nebo mramoru lze získat pálené vápno. Vápník poprvé připravil sir Humphry Davy roku 1808 elektrolýzou vápenatého amalgámu., které se v takových oblastech běžně vyskytují, vytvářet mapy radioaktivní látky a pozorování porovnávat s počítačovými modely.

3. Sledování RTG záblesků. Poslední částí programu je sledování RTG záblesků nejrůznější povahy, například RTG záblesků z aktivních jader galaxií. Na tomto vědeckém úkolu by observatoř NuSTAR měla spolupracovat s připravovanou gama observatoří GLASTGLAST – Gamma-ray Large Area Space Telescope, kosmický dalekohled pro obor gama, v roce 2008 se stal následovníkem slavné gama observatoře Compton. Projekt USA. Rozsah detekovaného záření: 10÷300 GeV. V srpnu 2008 byla observatoř přejmenována na Fermi (podle významného italského kvantového fyzika)..

Závěr

Na projektu NuSTAR se podílí řada významných institucí. Uveďme alespoň UCSC (University College Santa Cruz), Caltech (California Institute of Technology), NASA JPLNASA JPL – Jet Propulsion Laboratory, oddělení NASA zabývající se konstrukcí raketových pohonů. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších., Columbia University, SLAC (Stanford Linear Accelerator)SLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států., LLNL (Lawrence Livermore National LaboratoryLLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na experimentech z mnoha vědních oborů., Sonoma State University, Danish Space Research Institute a General Dynamics. Lze okečávat, že NuSTAR se stane nejvýznamnější rentgenovou observatoří budoucnosti.

Aktivní jádro galaxie s černou dírou a akrečním diskem zahalenými hustou slupkou plynu a prachu, která neumožní pozorování v optickém oboru. Jde o ideální objekt pro pozorování observatoří NuStar, která v tvrdém RTG oboru uvidí nejbližší okolí černé díry. Zdroj: Vize NASA.

Klip týdne: Gama záblesk – osamělá hvězda

Gama záblesk – osamělá hvězda. Gama záblesky jsou jednou ze současných velkých záhad astrofyziky vysokých energií. Přicházejí k nám rovnoměrně ze všech stran přibližně jednou denně. Jejich trvání je od několika milisekund až po několik minut. Dnes víme, že mechanizmů generování těchto záblesků bude několik. Jedním z nich by mohl být kolaps osamocené velmi hmotné hvězdy na černou díru (supernova Ic), který můžete sledovat na této počítačové animaci. Nejprve vznikají výtrysky plazmatu ve směru rotační osy, později kolabuje Fe jádro a vytváří se tlustý akreční disk a v centru rotující černá díra. Zdroj: NASA / SkyWorks Digital, 2005. (avi, 2 MB)

Odkazy