NAUKA I ASTRONOMIA Wyróżnione

Gorący i energetyczny Wszechświat w zwierciadle Atheny

Athena – chociaż słowo kojarzy nam się z tak wieloma rzeczami – to w tym wypadku odnosi się do jednej z ciekawszych misji Europejskiej Agencji Kosmicznej,  a mianowicie Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics, czyli Zaawansowany Teleskop dla Astrofizyki Wysokich Energii. Będzie to najbardziej zaawansowany technologicznie teleskop rentgenowski, a koszt tego przedsięwzięcia to około 1 miliard euro. Misja wpasowuje się w program prowadzony przez ESA – “Kosmiczna Wizja” (“Cosmic Vision”), który ma odpowiedzieć na dwa kluczowe dla astrofizyki pytania:

  • W jaki sposób obserwowana przez nas materia gromadzi się w wieloskalowych strukturach, które obserwujemy dzisiaj?
  • W jaki sposób rosną czarne dziury i jaki mają wpływ na kształtowanie Wszechświata?

Uruchomienie tej misji zakłada się na rok 2028. Posiada ona trzy główne cele:

  • mapowanie i badanie wielkich struktur gazu we Wszechświecie
  • badanie supermasywnych czarnych dziur
  • badania wysokoenergetycznych zdarzeń, jak eksplozje supernowych

Rentgenowska astronomia jest podstawowym narzędziem do badania zwykłej materii we Wszechświecie, która złożona jest z barionów takich jak neutrony czy protony. Obecne stanowisko naukowe mówi, że większość barionowej materii uwięziona jest w rozproszonych chmurach gazu, z których większość tworzy tak zwane “gorące medium międzygalaktyczne”. Ponieważ ta sieć strumieni gazu, która łączy galaktyki ze sobą, posiada temperaturę od 100,000 do 10 milionów stopni Kelvina, to również emituje głównie promienie rentgenowskie.

Wysokoenergetyczne promieniowanie ciężko skupić, a w dodatku naukowcy chcą je obserwować z coraz większą dokładnością, dlatego nieustannie ulepsza się technologie detekcji promieni rentgenowskich, aby zrozumieć, jak powstają i jak oddziałują one z kosmiczną materią.

Niektóre z najbardziej egzotycznych obiektów we Wszechświecie, a dokładniej ich najbliższe otoczenie, emitują swoją energię w postaci fal rentgenowskich. Ponieważ gaz oraz pył są połykane przez czarne dziury, których silne pole grawitacyjne rozgrzewa ten materiał do bardzo wysokich temperatur (liczoną w milionach stopni Kelvina), powoduje to emisję fal rentgenowskich.

Artystyczna wizja misji Athena. Credit: ESA / Athena+ Team

Ponieważ atmosfera Ziemi blokuje większość promieniowania rentgenowskiego, konieczne jest prowadzenie misji kosmicznych, abyśmy mogli mieć jasny wgląd w gorący i energetyczny Wszechświat. Athena ma okazję wesprzeć się na ramionach innych misji-gigantów, jak EXOSAT czy XMM-Newton (która wciąż działa). Dzięki temu może zajrzeć w głąb natury czarnych dziur oraz pomóc zrozumieć, jak tworzą się struktury galaktyczne.

Athena jest obecnie przyszłością i nadzieją w rozwoju astronomii rentgenowskiej, której celem jest badanie zarówno znanych, jak i niepoznanych jeszcze wysokoenergetycznych procesów astrofizycznych. Czy uda się odpowiedzieć na postawione przed nią pytania? Najpierw musimy zanurkować w…

GORĄCY WSZECHŚWIAT

Jednym z głównych zadań, jakie zostaną powierzone Athenie, jest pytanie, w jaki sposób powstają i ewoluują grupy i gromady galaktyk. W lepszym zrozumieniu tego pomoże mapowanie, w jaki sposób chmury gorącego gazu są rozmieszczone w tych galaktycznych strukturach oraz określenie temperatury i gęstości tego gazu.

Kolejnym otwartym pytaniem, przez jakim została postawiona Athena, jest w jaki sposób węgiel oraz cięższe pierwiastki (metale) były rozmieszczone w w grupach i gromadach galaktyk w ciągu całej historii Wszechświata. Mierząc zawartość pierwiastków takich jak azot, tlen i żelazo, w różnych wielkościach przesunięcia ku czerwieni, Athena będzie mogła określić, kiedy i z powodu jakich procesów barionowy gaz został wzbogacony o te pierwiastki. Astronomowie wykorzystają również instrumenty misji, aby móc określić lokalizacje w gromadach galaktyk, które są miejscami tworzenia się tych metali, a także w jaki sposób te cięższe pierwiastki zostają rozproszone.

Athena ma za zadanie również rzucić nieco światła na słynny problem brakujących barionów. Obecne modele Wszechświata wykazują, że powinno istnieć dwa razy więcej materii barionowej, niż udało się to policzyć w gwiazdach, galaktykach i innych obiektach emitujących światło. W październiku 2017 roku dwa niezależne zespoły badawcze potwierdziły, że znaczna część tej brakującej substancji jest uwieziona właśnie w gorących obłokach gazowych. Athena określi, jak te włókna są rozmieszczone pomiędzy galaktykami i całymi gromadami galaktyk. Dodatkowo scharakteryzuje ich fizyczne właściwości, takie jak temperatura, gęstość i metaliczność. Do pomiarów o wyjątkowej dokładności będzie spektroskop rentgenowski o wysokiej rozdzielczości.

Ponadto misja pomoże nam lepiej rozumieć, w jaki sposób na gorący gaz wypełniający przestrzeń miedzy galaktykami wpływa obecność tzw. aktywnych galaktyk bądź aktywnych jąder galaktyk (ang. Active Galactic Nuclei, AGN). Te zwarte obszary w centrach galaktyk są zasilane przez akrecję wobec czarnej dziury. Akrecja jako proces opadania rozproszonej materii na powierzchnię ciała niebieskiego w wyniku działania grawitacji, generuje obfite ilości promieniowania elektromagnetycznego. Wiele z nich wytwarza energetyczne strugi, które wchodząc w reakcję podgrzewają gorący gaz wokół jądra aktywnej galaktyki. Istnieje wiele pytań związanych z tym zagadnieniem, przykładowo – w jaki sposób te energetyczne strugi, będące strumieniami plazmowej materii, mają wpływ na podgrzewanie i ochładzanie obłoków gazowych w gromadach galaktyk. Naukowcy mają nadzieję, że Athena pomoże odpowiedzieć na to i temu podobne pytania.

ENERGETYCZNY WSZECHŚWIAT

Wszystkie masywne galaktyki, nie tylko te aktywne (AGN), zwierają masywne czarne dziury. Obserwatoria widma rentgenowskiego, takie jak Athena, dostarczają unikalnych sposobów na badanie energetycznych procesów powiązanych z czarnymi dziurami ze względu na fakt, że mogą badać obszar w pobliżu centrum galaktycznego z niewielkim zanieczyszczeniem pochodzącym od światła emitowanego przez materię w pozostałej części galaktyki.

Patrząc w głąb Wszechświata aż do przesunięć ku czerwieni o wartości z>6, Athena będzie mogła powiedzieć więcej o jego historii, a dokładnie okres, w którym wiele z supermasywnych czarnych dziur dopiero się formowało i zaczynało rosnąć. Procesy, jakie biorą udział w ich powstawaniu oraz wczesnej ewolucji, nie są jeszcze znane. Jedna z teorii głosi, że pozostałości pierwszych gwiazd – masywnych i bardzo jasnych obiektów uformowanych z pierwotnego materiału z Wielkiego Wybuchu – mogły być „nasionami” tych supermasywnych czarnych dziur, które widzimy w dzisiejszym Wszechświecie. Athena będzie śledzić te wybuchowe zdarzenia z końca ich życia oraz badać ich zawartość z niespotykaną do tej pory dokładnością pod kątem zjonizowanego tlenu, węgla, magnezu i innych „metali” aż do żelaza. Pozwoli to nam zrozumieć, w jakich warunkach mogły formować się czarne dziury, oraz zbadać mechanizmy, które determinowały wczesny rozwój tych masywnych obiektów kosmicznych.

Ponieważ naukowcy odkryli zależności pomiędzy procesem akrecji zachodzącym na supermasywnych czarnych dziurach, a formowaniem się i rozwojem galaktyk, to dalsze badanie energetycznego Wszechświata jest kluczem do zrozumienia w jaki sposób powstają takie masywne galaktyki. Dla zdobycia tej wiedzy Athena przyjrzy się supermasywnym czarnym dziurom w przesunięciach ku czerwieni na poziomie z=1 do 4, aby obserwacją objąć okres, w którym procesy akrecyjne i czas formowania się gwiazd w galaktykach były najbardziej intensywne.

Śledząc promieniowanie rentgenowskie emitowane przez materię, które jest połykane przez centralną czarą dziurę, Athena podaruje badaczom kolejne narzędzie, dzięki któremu zwiększą swoją wiedzę na temat fizyki akrecji. Będzie przez to można określić spin czarnej dziury. Teoretycy postawili tezę, że kierunki spinu w lokalnym Wszechświecie są „skamieliną”, która pozostała po mechanizmie dominującym w ewolucji danej galaktyki, na przykład powtarzającym się łączeniu galaktyk lub zmieniającej się energii wewnętrznej gazu.

Innym ważnym zadaniem stojącym przez misją Athena jest określenie, w jaki sposób dyski akrecyjne w aktywnych galaktykach uruchamiają gorące wiatry oraz energetyczne strumienie, które rozpoczynają swój bieg od centrum galaktyki i mogą oddziaływać na całą galaktykę. Jak dokładnie te procesy wpływają na formowanie gwiazd oraz jaką odgrywają grają rolę w formowaniu i samej ewolucji galaktyk, jest wciąż otwartym problemem w astronomii, który mamy nadzieję, pomoże rozwiązać misja Athena.

Kolizja i połączenie dwóch gromad galaktyk – Abell 3411 oraz Abell 3412. Zdjęcie łączone: promieniowanie rentgenowskie (niebieski kolor, wykonane teleskopem Chandra), promieniowanie radiowe (czerwony, wykonane przez GMRT) oraz dane optyczne z teleskopu Subaru (kolory czerwony, niebieski i zielony). Credit: NASA/CXC/SAO/R. van Weeren et al., NAOJ/Subaru, NCRA/TIFR/GMRT

NIEZNANY KOSMOS

Piękno misji takich jak Athena, opartych na bardzo efektywnym lustrze rentgenowskim oraz innych instrumentach na jego płaszczyźnie ogniskowej, związane jest z możliwością dokonania nowych odkryć w wielu obszarach astrofizyki.

Athena będzie wspierać planetologię, w tym rozwijać naszą wiedzę o planetach pozasłonecznych, poprzez pomaganie astronomom w lepszy sposób rozumieć, jak pola magnetyczne planet współgrają z wiatrami słonecznymi oraz flarami, zarówno tymi w naszym Układzie Słonecznym, jak i dalej w głębi kosmosu.

Wpłynie to korzystanie na rozwój wiedzy fizycznej w zakresie gwiazd i umożliwi to astronomom badanie zarówno wczesnych etapów formowania gwiazd, a także punktów końcowych w ich ewolucji. Dzięki instrumentom misji Athena będzie możliwe badanie promieni rentgenowskich emitowanych przez młode gwiazdy, a także poznanie procesów, które mają wpływ na wczesną ewolucję gwiazd oraz formowanie się dysków planetarnych.

Instrumenty te będą mogły również wychwycić emisję fal rentgenowskich pochodzących z materiału otaczającego gwiazdy neutronowe. Są to bardzo gęste obiekty będące pozostałościami po śmierci niektórych gwiazd. Dzięki misji Athena będzie możliwe badanie ich wewnętrznej struktury, która pozostaje obecnie niewiadomą dla astronomów.

Instrumenty będą wykorzystane również do określenia chemicznego składu gorącego gazu i pyłu, który tworzy wspomniane międzygalaktyczne medium, a także pomogą w zrozumieniu, jak się ono zmienia przez wybuchy supernowych.

To jeszcze nie wszystko. Misja Athena będzie miała również swój udział w rozwoju ery astronomii wieloaspektowej (ang. multi-messenger astronomy), czyli astronomii opartej na interpretacji różnych sygnałów pochodzących od “posłańców” (ang. messengers). Tymi posłańcami są: promieniowanie elektromagnetyczne, fale grawitacyjne, neutrina i promieniowanie kosmiczne.  Dwa pierwsze pochodzą właśnie z gwiazd neutronowych. Instrumenty Antheny będą tak wrażliwe, że będą w stanie wykryć najmniejsze eksplozje pochodzące z kilonowych, czyli zjawisk astronomicznych polegających na  zderzeniu dwóch gwiazd zdegenerowanych (np. gwiazd neutronowych) lub gwiazdy neutronowej i czarnej dziury, które jest najprawdopodobniej odpowiedzialne za bardzo krótkie rozbłyski gamma.

Wygląda na to, że misja Athena będzie miała znaczący wpływ na nasze rozumienie kosmosu. Pomoże nam w badaniu gorących i energetycznych zdarzeń, o których istnieniu już wiemy, ale może również pozwoli nam odkryć nowe aspekty, w pełni niepoznanego wysokoenergetycznego Wszechświata.

TELESKOP

ATHENA będzie miała dwa główne instrumenty badawcze: X-ray Integral Field Unit (X-IFU) oraz Wide Field Imager (WFI). Obydwa będą działały w podobnym zakresie energetycznym. Każdy z nich przypomina działaniem matrycę CCD, złożoną z wielu miniaturowych pikseli. Idealna detekcja promieniowania rentgenowskiego następuje kiedy poszczególne piksele rejestrują pojedyncze fotony. Większa liczba fotonów jednocześnie w pojedynczym pikselu uniemożliwia zmierzenie ich energii i taki pomiar jest automatycznie odrzucany. Każdy piksel matrycy mierzy bardzo małą różnicę temperatur (na poziomie milikelwinów) wywołaną wysokoenergetycznym fotonem rentgenowskim, który do niego wpada. Detektor musi być utrzymywany w niskiej temperaturze, co wymaga umieszczenia go w specjalnym kriogenicznym termosie.

Większe (czterdziestokrotnie) pole widzenia zapewni Athenie detektor WFI. Dzięki technice zwanej APS (z ang. Active Pixel Sensor) czas nadejścia fotonu będzie mierzony z dokładnością do 7 mikrosekund. Taka czasowa rozdzielczość pozwoli zbadać jasne i szybko zmienne obiekty rentgenowskie, w które obfituje Droga Mleczna. Pulsary czy układy podwójne z czarnymi dziurami lub gwiazdami neutronowymi wykazują zmienność w skali milisekund i taką właśnie zmienność będzie można mierzyć z niezwykłą precyzją.

Credit: SENER Polska

Mechanizm Selekcji Instrumentu służy do zmiany pomiędzy wymienionymi wcześniej urządzeniami pomiarowymi – w zależności od potrzeb obserwacyjnych, pole ogniskowej teleskopu będzie umieszczane w płaszczyźnie ogniskowej odpowiedniego instrumentu. Projektowane urządzenie umożliwi wykorzystywanie jednego wielkiego zwierciadła na potrzeby dwóch instrumentów. To rozwiązanie rzadko stosowane jest w misjach kosmicznych ze względu na jego złożoność.

Urządzenia pomiarowe zostaną umieszczone na zwierciadle zaprojektowanym przez polską firmę SENER. „Większość prac nad koncepcją mechanizmu wykonają nasi inżynierowie, ale liczymy na udział krajowych partnerów w rozwiązywaniu niektórych problemów projektowych oraz w produkcji i testach mechanizmu. Prowadzimy już rozmowy z kilkoma firmami i instytutami badawczymi” – mówi Aleksandra Bukała z SENER Polska w wywiadzie dla Polskiej Agencji Prasowej.

Polski zespół będzie musiał zmierzyć się z nietypowymi wyzwaniami związanymi z rozmiarami lustra – ponad 2 metry średnicy i 1,2 tony masy oraz długością teleskopu – ponad 12 metrów. Wyzwaniami dla inżynierów będą: ogromne obciążenie statyczne lustra i tłumienie jego wstrząsów podczas startu, a także stworzenie bardzo precyzyjnego systemu ruchu i kontroli siłowników ISM. Należy uniknąć przenoszenia zbyt dużych sił na teleskop podczas obrotu zwierciadła, co w warunkach zerowej grawitacji mogłoby doprowadzić do destabilizacji położenia sondy. Zbyt duże siły mogłyby też uszkodzić samo lustro. Inżynierowie muszą również zaprojektować tzw. mechanizm podtrzymująco-zwalniający (HDRM – Hold Down & Release Mechanism), który pozwoli na kontrolowane i płynne oddzielenie sondy od rakiety nośnej.

Nowy teleskop zaoferuje możliwości badawcze i czułość na poziomie stukrotnie wyższym niż dzisiejsze obserwatoria orbitalne lustrujące Wszechświat w zakresie promieniowania X: Chandra oraz X-MM Newton.

OPERACJE ATHENY

Misja Athena rozpocznie się w 2028 roku i zostanie prawdopodobnie wyniesiona w przestrzeń kosmiczną przez ciężką rakietę nośną Ariane 5 (lub inny pojazd startowy, który posiada podobne możliwości). Teleskop zostanie umieszczony na ciasnej orbicie wokół tzw. punktu libracyjnego 2 (L2).

Punkty libracyjne (inaczej punkty Lagrange’a) to miejsca w przestrzeni, w układzie dwóch powiązanych grawitacyjnie ciał, w których ciało o pomijalnej masie można pozostawić w spoczynku względem tych ciał. W układzie dwóch ciał znajduje się pięć punktów libracyjnych. Układ Ziemia-Słońce posiada punkt libracyjny L2, który znajduje się stale w półcieniu Ziemi, co czyni go dobrym miejscem do prowadzenia obserwacji planet zewnętrznych lub obszaru poza Układem Słonecznym. Dodatkowo zapewnia stabilne warunki termiczne do pracy urządzeń obserwacyjnych oraz nieprzerwaną możliwość badania wybranych fragmentów nieba.

Credit: ESA

Athena będzie wykonywać obserwacje wybranych celów pośród ciał niebieskich. Rocznie zostanie przeprowadzonych około 300 obserwacji, których czas trwać będzie średnio 105 sekund. Rutynę obserwacji mogą przerwać możliwości obserwacji innych celów, jak przykładowo rozbłyski promieni gamma.

Podstawowy czas trwania misji zakłada 5 lat działania, jednakże materiały eksploatacyjne umieszczone na teleskopie pozwolą na przedłużenie misji o przynajmniej kolejne 5 lat. Zakładając, że Athena zachowa 75% skuteczność swoich obserwacji, naukowcy twierdzą, że uda się zrealizować cele naukowe związane z gorącym i energetycznym Wszechświatem.

System naziemny powiązany z misją Athena będzie współpracować ze standardowymi schematami posiadanymi przez Europejską Agencję Kosmiczną do dowodzenia, zarządzania, kontrolowania i monitorowania samego statku, jak i instrumentów. Działanie misji będzie prowadzone tradycyjnie z Europejskiego Centrum Operacji Kosmicznych (ang. European Space Operations Centre – ESOC), które znajduje się w niemieckim mieście Darmstadt, a także przez Europejskie Centrum Astronomiczne w Villanueva de la Canada (Hiszpania) oraz przez kilka pomniejszych miejsc znajdujących się w państwach członkowskich Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Źródła: ESA, Nauka w Polsce – PAP, Space24, SENER Polska Grafika: ESA

Przeczytaj także

BepiColombo – uchwycić Merkurego

Alan O. Grinde

Praca Moc Energia i Centrum Nauki Kopernik razem nad stroną ESERO

Alan O. Grinde

Pierwsze kosmiczne przyłożenie

Alan O. Grinde

Nowy silnik nuklearny pozwoli na głębszą eksplorację Kosmosu

Alan O. Grinde

Widoki z Hubble rozcinające niebo

Alan O. Grinde

The World at Night, urzekające spotkanie światła i mroku

Anna Śnieżyńska