Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 24 února, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2017

Je galaxie v Andromedě dvojčetem Mléčné dráhy?

Ivan Havlíček

Observatoř Fermi má za sebou již osm a půl roku sledování okolního vesmíru. První celooblohová přehlídka byla dokončena už za pouhých 95 hodin pozorovacího času. Jejímu předchůdci, Comptonově observatořiCOMPTON – Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), první obří družice NASA určená pro výzkum gama záření, hmotnost měla 17 tun a na oběžnou dráhu ji vynesl raketoplán Atlantis 5. 4. 1991. Mise byla ukončena 4. 6. 2000 navedením družice do zemské atmosféry, kde shořela. Přesnost určení polohy zdroje gama záření činila několik stupňů. Družice byla pojmenována po americkém fyzikovi Arthuru Comptonovi, nositeli Nobelovy ceny za fyziku, a to za výzkum rozptylu vysoce energetických fotonů na elektronech. Právě tento mechanizmus sloužil k detekci gama záření na všech čtyřech přístrojích družice. trvalo dosažení stejného výsledku roky. Postupně bylo vytvořeno několik specializovaných katalogů různých zdrojů gama záření od pulzarůPulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe., pozůstatků po supernovách a mlhovin ovlivněných pulzary, velmi hmotných binárních soustav a jiných galaktických zdrojů, aktivních galaktických jaderAGN – 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. a vzdálených zdrojů. Jejich pozorování neustále probíhá a v roce 2013 byla mise prodloužena o další pětiletý cyklus naplánovaný prozatím až do roku 2018. Překvapivě zhruba třetinu zdrojů gama záření pozorovaných observatoří Fermi se dosud nepodařilo spolehlivě identifikovat jako konkrétní astrofyzikální typ. Mnohá provedená pozorování mají současně i několik interpretací a není jasné, která z nich budou nakonec lépe odpovídat skutečnosti. Observatoř Fermi je přece jen unikátní přístroj, díky němuž lze dnes zaznamenat bezkonkurenčně nejvyšší energie a astronomové žádný srovnatelný dalekohled k dispozici nemají.

Kosmická observatoř FermiFermi – americká gama observatoř, která se v roce 2008 stala následovníkem slavné gama observatoře Compton. Rozsah detekovaného záření: 10 až 300 GeV. Původně se tato observatoř jmenovala GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), v srpnu 2008 byla přejmenována na Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) podle významného italského kvantového fyzika. Observatoř je na nízké oběžné dráze s perigeem 536 km a apogeem 553 km. Na stavbě observatoře se kromě NASA také podílely CEA, DLR, ASI, JAXA a SNSB. Mise byla několikrát prodloužena, observatoř je stále funkční (2024)., která od roku 2008 sleduje kosmické zdroje tvrdého záření v gama oboru pomocí několika přístrojů v celkovém rozsahu 8 keV až 300 GeV (0,155 nm až 4,13×10⁻⁹ nm). Podrobněji jsme se popisu této observatoře věnovali v AB 49/2007. .Zdroj: SLAC.

Fermi – americká gama observatoř, která se v roce 2008 stala následovníkem slavné gama observatoře Compton. Rozsah detekovaného záření: 10 až 300 GeV. Původně se tato observatoř jmenovala GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), v srpnu 2008 byla přejmenována na Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) podle významného italského kvantového fyzika. Observatoř je na nízké oběžné dráze s perigeem 536 km a apogeem 553 km. Na stavbě observatoře se kromě NASA také podílely CEA, DLR, ASI, JAXA a SNSB. Mise byla několikrát prodloužena, observatoř je stále funkční (2024). COMPTON – Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), první obří družice NASA určená pro výzkum gama záření, hmotnost měla 17 tun a na oběžnou dráhu ji vynesl raketoplán Atlantis 5. 4. 1991. Mise byla ukončena 4. 6. 2000 navedením družice do zemské atmosféry, kde shořela. Přesnost určení polohy zdroje gama záření činila několik stupňů. Družice byla pojmenována po americkém fyzikovi Arthuru Comptonovi, nositeli Nobelovy ceny za fyziku, a to za výzkum rozptylu vysoce energetických fotonů na elektronech. Právě tento mechanizmus sloužil k detekci gama záření na všech čtyřech přístrojích družice. Elektronvolt – 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=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.

Více než polovina zdrojů gama záření nad 10 GeV byla identifikována jako oblasti blízké galaktickým černým veledírám – jako aktivní galaktická jádra. Současně se ale zhruba ke třetině zdrojů dosud nepodařilo nalézt odpovídající protějšek v jiném spektrálním oboru. Tyto zdroje gama jsou tedy prozatím označovány jako neznámé. Zdroj: GLAST

Celooblohová přehlídka zdrojů s energií vyšší než 1 GeV, jejíž pořízení trvalo celých 60 měsíců. Zobrazení je vytvořeno na základě dat z přístroje LAT (Large Area Telescope) a byla kvůli dosažení vyššího rozlišení použita jen data z úzkého směru v ose detektoru. Jasnější barva odpovídá vyšší intenzitě signálu. Zde jsou zobrazeny veškeré zdroje bez rozlišení od galaktických pulzarů až po vzdálená aktivní galaktická jádra v cizích galaxiích a blazary. Na stránce GSFC je možno nalézt detailní označení jednotlivých zdrojů signálu roztříděných do jednotlivých astrofyzikálních kategorií.

Část oblohy v souhvězdí Panny v energii nad 1 GeV. Vlevo je označení jednotlivých zdrojů. Na snímku je zachyceno několik blazarů a jeden pulzar (PSR J1312+00). Střed snímku velkého 20°×20° je na RA 13h00m a DE 2°00′. Vpravo je pak animace rozdílů podrobností v průběhu prvních pěti roků snímkování. Zdroj: NASA/GSFC 

Na podzim roku 2010 byl publikován úžasný objev. Naše Galaxie Mléčná dráha má zřetelně aktivní jádro, jehož projevy observatoř Fermi zaznamenala vysoko nad galaktickou rovinou. Na obě strany od galaktického rovníku se až do výše okolo 50° galaktické šířky vypínají obrovité laloky horkého plazmatu zářícího v gama oboru, které lze podle spektra odlišit od difúzního svitu plynu galaktického haló. Tyto zářící oblasti dosahují skutečně galaktických rozměrů – vypínají se od jádra na obě strany do vzdálenosti nejméně 25 000 světelných roků. Příčinou takto zářících oblastí jsou nejspíše děje spojené s akrecí látky kolem galaktické černé veledíry a následná kolimace záření a látky ve volných směrech nezakrývaných okolní hustou látkou galaktického disku. Plazmatické laloky nemohly být zpozorovány žádným předchozím přístrojem, jelikož žádný dalekohled dosud nepokrýval tak energeticky vysoké pásmo jako observatoř Fermi. Zdroj: NASA.

Dosud nejpodrobnější zobrazení galaktické roviny v energiích vyšších než 1 TeV. K zobrazení byla použita data získaná v průběhu 80 měsíců provozu observatoře označovaná souborně Pass 8 z nichž bylo možno získat kontrastní záznam ve vysokém rozlišení. Postupně jsou v galaktické rovině vyznačeny nejzářivější zdroje: pozůstatek po supernově Gamma Cygni, několik pulzarů, hvězdná líheň HESS J1614-518, Eta Carinae a pozůstatek po supernově v Plachtách. Na opačné straně proti galaktickému středu se pak v závěru klipu objevuje pulzar v Krabí mlhovině v souhvězdí Býka. Zdroj: NASA/GSFC.

V dubnu 2014 bylo publikováno zjištění, že v jádru Galaxie dochází k nadmíru vysoké emisi gama záření. Po odstranění všech známých zdrojů stále zůstává přebytek energie, kterou se nedařilo teoreticky vysvětlit a současně takové vysvětlení potvrdit jiným nezávislým pozorováním. Tento přebytek představuje poměrně významnou část energie vycházející z galaktického jádra v pásmu 1÷3,16 GeV, množství pak až miliardkrát převyšuje energii vyzářenou odtud ve viditelné oblasti a proniká z jádra až do vzdálenosti 5 000 světelných roků. Teoretici nabízeli širokou škálu částic temné hmoty, například WimpyWIMP – zkratka z Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpy by měly s běžnou látkou interagovat gravitační a slabou interakcí. Jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů, tři z nich mají nenulový signál, jehož interpretace je zatím nejasná., které by mohly vzájemně anihilovatAnihilace – proces zániku částice a antičástice, při kterém se obě přemění na záření. O existenci antičástic poprvé teoreticky uvažoval Paul Adrien Maurice Dirac v roce 1928.. Záření je rozprostřeno kolem galaktického jádra rovnoměrně a pokud by šlo o anihilaci temné hmoty, tak by hmotnost takových částic měla být v intervalu někde mezi 31÷40 GeV. Prozatím se ale taková teorie jinými pozorováními nepotvrdila. Jinou možností je kreace elektronových-pozitronových párů v blízkosti pulzarů a jejich následná anihilace. Tomuto vysvětlení se podrobněji věnuje AB 7/2016.

V současnosti se ale zablýsklo na lepší časy překvapivě úplně odjinud. V nám nejbližší obrovské spirální galaxii M31 v Andromedě, vzdálené zhruba 2,5 milionů světelných roků, se observatoří Fermi podařilo napozorovat téměř identické záření z jejího jádra jako v roce 2014 z jádra Galaxie naší. Objev byl předběžně publikován 21. února 2017 a prozatím ještě není ani zpracován ve formě oponovaného vědeckého článku. Nezbývá než si počkat na srovnání a podrobnou analýzu záření z jádra sousední Andromedy. Pokud by šlo skutečně o anihilaci temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou. v centrálních oblastech velkých galaxií, tak bychom snad byli opět o krůček blíž k rozřešení záhady temné hmoty. Podle komentáře Reginy Caputo, odbornice Goddardova letového střediska NASA v Greenbeltu v Marylandu a spoluautorky tohoto objevu to prý vypadá, jako bychom žili ve světě, kde sice nejsou zrcadla, v nichž bychom se mohli uvidět, ale naštěstí máme hned vedle své dvojče a můžeme se tedy uvidět tak, že budeme pozorně sledovat jeho.

Fotografie velké galaxie v Andromedě M31 se zakreslením isofot gama záření pozorovaného observatoří Fermi. V březnu 2016 bylo publikováno pozorování plazmatických laloků zářících v gama oboru a majících původ také nejspíše v centrální galaktické veledíře v M31, stejných jaké se podařilo pozorovat u Mléčné dráhy v roce 2010. Pozorným srovnáváním naší Mléčné dráhy a galaxie v Andromedě se možná podaří nalézt společné vysvětlení obou téměř identických dějů. Zdroj: NASA/GSFC.

Obrovité laloky horkého plazmatu nad centrální oblastí naší Galaxie svítí v gama oboru. Byly rozpoznány observatoří Fermi v roce 2010. Obě oblasti dosahují nejméně do vzdálenosti 25 000 světelných roků od galaktického jádra a nejspíše jsou důsledkem vysoce energetických procesů v okolí centrální galaktické veledíry. Zdroj: NASA.

Odkazy