Titokzatos gamma-felfénylések

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Az első nagy energiás égboltfelmérés, az EGRET rejtélyes objektumainak nyomában. I. rész

Amikor távcsövünk okulárjába pillantunk, csillagok ezreit tudjuk megcsodálni. Nehéz elképzelni, hogy amit ekkor látunk, az csupán a jéghegy csúcsa, a szemünkkel észlelhető, látható hullámhosszú elektromágneses sugárzás. Bolygónkat nem csak a látható fény, hanem rövidebb hullámhosszú, ám annál nagyobb energiájú sugárzás, többek közt gamma-fotonok is „bombázzák”. A Föld atmoszférája azonban nem engedi át ezeket a nagy energiájú részecskéket, így a csillagászati objektumok gamma-tartományú sugárzásának detektálásához elengedhetetlen a légkörön túlra, a világűrbe űreszközöket juttatni.

Kezdeti nehézségek

Az egyik első gamma-tartományú sugárzást mérő űrtávcső a SAS-2 volt, amely 1972-ben az első gamma-tartományú égboltfelmérést elvégző műholdként került be a csillagászat történelmébe. Igaz, az első gamma-fotonokat még az Explorer-11 műhold detektálta 1961-ben. A gamma-tartományú csillagászat legizgalmasabb objektumai a gamma-kitörések (gamma-ray burst, GRB), melyek extrém nagy energiájú gamma-sugárzással járó kitörések, az Univerzum egyik legnagyobb energiájú folyamatai. Az első gamma-kitörést meglepő módon nem csillagászati célú, hanem titkos amerikai katonai űreszközök, a Vela-műholdak detektálták 1967-ben. Más kérdés, hogy ezek kis híján a világtörténelem legszerencsétlenebb csillagászati észleléseivé váltak. A titokzatos jelek első detektálásakor magyarázatként egy űrbéli atombomba felrobbantása, és az ezáltal által létrehozott rövid ideig észlelhető gamma-villanás is szóba jött. Így még a Nemzetközi Atomcsend Egyezmény megszegése is lehetséges forgatókönyvnek tűnt. Végül azonban világossá vált, hogy ezek a jelek a mélyűrből érkeznek hozzánk és így nem lehettek nukleáris fegyverek tesztjei. Néhány évvel később pedig már a csillagászok kezdtek foglalkozni ezzel a rejtélyes jelenséggel.

A gamma-kitörések és úgy egyáltalán a gamma-égbolt feltérképezése és megértése tehát izgalmas, ámde egyben kihívásokkal teli feladatot jelent. Gamma-fotonok a látható fénynél jóval kisebb számban érkeznek hozzánk. Így ahhoz, hogy a gamma-égbolt megértéséhez közelebb kerüljünk, olyan űreszközre volt szükség, amely hosszú időn át megbízhatóan működik, ezáltal elegendő adatot tud gyűjteni. A 90-es évek elejére tehát igény mutatkozott egy hosszú távra tervezett, a korábbi hasonló céllal működtetett műszereknél több, és jóval érzékenyebb detektorral ellátott űreszközre.

A CGRO „szelfije” a Földdel. A felső kék műszer a COMPTEL, az alsó az EGRET. Forrás: heasarc.gsfc.nasa.gov

Az áttörés

A forradalmi áttörést és ezzel együtt az új korszakot a gamma-csillagászatban a Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) 1991-es indulása hozta el.
Ezzel az űrobszervatóriummal a csillagász társadalom nagy lépést tett a gamma-égbolt feltérképezésének mai napig véget nem érő útján. A maga 17 tonnájával a CGRO-t az akkori legnagyobb tömegű űrobszervatóriumként indították 1991 április 5-én a Kennedy Űrközpontból, az Atlantis űrrepülőgép rakterében. A műszer a magnetoszféra alatt, alacsony Föld körüli pályán (low earth orbit, LEO)
keringett 360–460 km magasságban, 92 percenként megkerülve a Földet.

Az űrobszervatóriumot Dr. Arthur Holly Compton amerikai fizikus tiszteletére nevezték el. A névadás nem véletlen, a Compton által leírt – és 1927-ben a felfedezőnek fizikai Nobel-díjat hozó – Compton-szórás jelenségének kvázi megfordítása, az inverz Compton-szórás gamma-fotonok kibocsátásával jár. A folyamat lényege, hogy relativisztikus (azaz közel fénysebességgel mozgó) részecskék találnak el alacsonyabb energiájú fotonokat, utóbbiak így magasabb energiaszintekre szóródnak és akár gamma-fotonokként folytathatják útjukat.

Az űrobszervatóriumon négy tudományos műszer kapott helyet. A gamma-kitörésekre specializálódott detektor, a Burst And Transient Source Experiment (BATSE) nem kevesebb mint 2704 gamma-kitörést figyelt meg, működése alatt gyakorlatilag naponta átlagosan egyet. Ugyan a jelenséggel kapcsolatban a CGRO működésének éveiben még nem sikerült asztrofizikai magyarázattal szolgálni, a BATSE eredményei alapján a gamma-kitörések két osztályba történő besorolása vált lehetővé. Azóta is rövid időskálájú (0,1 – 2 s) és hosszú időskálájú (2 – 10 s) kitöréseket különböztethetünk meg. Ma úgy gondoljuk, hogy előbbiekért összeolvadó neutroncsillagok (kilonóvák), míg utóbbiakért gravitációsan összeomló nagy tömegű csillagok a felelősök.

Az Imaging Compton Telescope (COMPTEL) műszer a Compton-szórás jelenségét használta ki egy „kétrétegű” detektorral. Felső része egy folyékony szcintillátor volt, amely a beérkező gamma-tartományú fotonokat szórta a Compton-szórás révén. Ellentétben a már szóba került inverz Compton-szórással itt a foton találja el az anyagot, energiát ad át a részecskéknek, ez esetben tehát nem magasabb, hanem alacsonyabb energiaállapotba kerül. Ezt követően a szórt fotonokat nátrium-jodid kristályok nyelték el a detektor alsó részében. Mindkét réteg rögzítette a fotonok beérkezésének idejét, pozícióját és a fotonenergiát, így lehetővé vált a vizsgálni kívánt gamma-foton beérkezési irányának és energiájának pontosabb meghatározása.
A COMPTEL forradalminak számított a szupernóvák kutatásában, detektálni tudta a titán 44-es számú (Ti-44) valamint az alumínium 26-os számú (Al-26) izotópjainak bomlásából eredő gamma-sugárzást. Eltérő felezési idejük következtében előbbi a fiatalabb, míg utóbbi az idősebb szupernóva–maradványok kutatásában játszott fontos szerepet. A COMPTEL mérései alapján fedezték fel a később GRO/RX J0852 jelzéssel ellátott szupernóvát, amely nagyjából Dante Isteni színjátékának megírásakor, 1320 környékén olyan fényesen tündökölhetett az égbolton mint a Holdunk. Írásos feljegyzés feltehetően azért nem maradt fenn róla, mert a szupernóva a déli égbolton látszott, a legtöbb megfigyelő pedig az északi féltekén volt.

Hasonlóan izgalmasak voltak az Oriented Scintillation Spectrometer Experiment (OSSE) eredményei; ez a műszer anyag–antianyag (elektron–pozitron) ütközések jeleit kereste galaxisunk centrumában.

Most pedig essék szó a CGRO azon műszeréről, amely végső soron ezen cikk témájául szolgál.
A gamma-kitörésekhez mérten ugyan kevésbé nagy energiákkal járó, ám eleinte legalább ennyire rejtélyes gamma-tartományú felfényléseket (gamma-ray flare) egy közel két tonnás műszer, az Energetic Gamma Ray Experiment Telescope (EGRET) tudta detektálni. Az egret szó angolul egyébként kócsagot jelent, ahogyan az a műszer logójában is szemrevételezhető. Az EGRET nagyfeszültségű, gázzal töltött szikrakamrákat tartalmazott, melyekben a belépő gamma-tartományú sugárzás elektron-pozitron párokat keltett, ezek pedig szikrázást eredményeztek.

A CGRO 4 tudományos műszerének égboltfelmérései az égbolt egészen más, eddig sosem látott arcait mutatták meg. Balról jobbra illetve fentről lefelé haladva: Az EGRET, a BATSE, az OSSE és a COMPTEL égbolt képei.
az ábrák forrásai: heasarc.gsfc.nasa.gov

A szikrázó részecskék nyomát rögzítették, hiszen pályájuk az eredeti sugárzás beérkezési irányáról adott információt. A kamrák alatt nátrium-jodid kristályok voltak, ezekbe beleütköztek a szikrázó részecskék, így lehetővé vált az eredeti sugárzás energiájának meghatározása is.

Egy hézagos katalógus

Ezekkel az ügyes megoldásokkal, az EGRET teljes égboltfelmérése alapján készült el a 3. EGRET katalógus. A benne felsorolt 271 gamma-felfénylés közül 170 forrását nem sikerült beazonosítani. A legtöbb azonosítatlan forrásnak persze voltak potenciális jelöltjei, mindazonáltal kijelenthetjük, hogy az EGRET által detektált gamma-tartományú felfénylések több mint felét nem tudták ismert objektumhoz kötni. Az azonosított források között találunk egészen egzotikus objektumokat is, így gyorsan forgó (és forgás közben a Föld irányába is „néző”) neutroncsillagokat, azaz pulzárokat, egy rádiógalaxist, valamint a Nagy Magellán-felhőt is. Még a Napunkat is tartalmazza a katalógus, pontosabban egy napflert. A legtöbb azonosított forrás, egészen pontosan 66, blazár, míg 27 jel forrása valószínűsíthetően szintén ebbe a kategóriába esik.

A blazárok olyan rádióhangos aktív galaxismagok (active galactic nucleus, AGN), melyekben a környezetükből anyagot befogó, szupernagy tömegű fekete lyuk (supermassive black hole, SMBH) található. A fekete lyuk körül keringő anyag az anyagbefogási, vagy más néven akkréciós korongba rendeződik, és a korongra merőlegesen relativisztikus anyagsugarakat bocsát ki, melyeket jeteknek hívunk. A blazárok esetén az egyik jet közel a megfigyelő irányába mutat. Ily módon a blazárok és a szélesebb körben ismert kvazárok közötti különbség mindössze a rálátási szög nagyságában keresendő. Az anyagbefogási korong környékén gázfelhők is találhatóak, a gázfelhőkben optikai színképvonalaik alapján különböztetünk meg széles vonalas és keskeny vonalas tartományokat. A fekete lyukat egy, az akkréciós korongnál sokkal nagyobb, óriási, porból és gázból álló tórusz is körülveszi.

Aktív galaxismag modellt szemléltető ábra. Az ábrán félkövér, dőlt betűtípussal, nagy betűmértettel szerepel, hogy az AGN-t milyen típusú objektumként tudnák besorolni a különböző irányokból vizsgáló megfigyelők. Félkövér betűtípussal az AGN részei olvashatók. Elképesztő gravitációs ereje révén a legtöbb nagyobb galaxis centrumában fellelhető szupernagy tömegű fekete lyuk a rendszer „mozgatórugója”.
A kép forrása: Urry & Padovani 1995, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, v.107, p.803/ fermi.gsfc.nasa.gov

Hogyan lehetséges az, hogy a blazárokat sokszor a legrövidebb és a leghosszabb hullámsávokban is megtudjuk figyelni?
Ezeknek az objektumoknak a rádió és gamma-tartományú detektálhatóságáért a jetek felelnek. A blazárok az általunk már jól ismert inverz Compton-szórás következtében produkálhatnak gamma-tartományú sugárzást. A jetben lévő relativisztikus elektronok a környezetükben lévő alacsonyabb energiájú fotonoknak energiát adnak át, így nagyobb energiájú sugárzás jön létre amit például az EGRET detektálhat. A rádiótartományú sugárzás magyarázatára cikkünk második részében fogunk visszatérni.  

A 3. EGRET katalógus forrásai. Pirossal az aktív galaxismagok szinte mindegyike blazár, lilával a pulzárok, sárgával a Nagy Magellán-felhő, kékkel egy napfler, míg zölddel az azonosítatlan objektumok vannak jelölve. A nagyobb szimbólumméret nagyobb intenzitású detektálást jelent.
forrás: heasarc.gsfc.nasa.gov

Visszakanyarodva a 3. EGRET katalógus 170 azonosítatlan forrására, elmondhatjuk, hogy ezeknek a felfényléseknek a katalógus publikálása óta mindössze töredékét sikerült azonosítani. Ezek egy kivétellel blazárok, az egyetlen kivétel egy pulzár.

Az EGRET által azonosított források kilétét és a modern kori gamma-űrtávcső, a Fermi eredményeit figyelembe véve okkal feltételezhetjük, hogy az azonosítatlan státuszban maradt EGRET források túlnyomó részét blazárok tehetik ki. Ez elsősorban a nagyobb galaktikus szélességű, így feltehetően Tejútrendszerünkön kívüli, azaz extragalaktikus forrásokra igaz. Jó pár azonosítatlan forrást Tejútrendszerünk síkjában, alacsony galaktikus szélességeken detektáltak, ezek minden bizonnyal galaxisunkon belüli objektumok, ezáltal biztosan nem blazárok.

Az EGRET jellemzően 1 fok körüli pozíciós bizonytalanságon belül volt képes detektálni gamma-tartományú felfényléseket, ennek megfelelően a detektálások 1 fokos környezetében kell keresnünk azokat az objektumokat, melyek pozíciójuk révén potenciális megfelelői lehetnek az EGRET által talált forrásoknak. Arra, hogy ez a gyakorlatban hogyan valósul meg, cikkünk második részében fog fény derülni.

Ajánlott linkek és hivatkozások:

A gamma-kitörésekről, és azok gyakoriságáról szóló cikk

A harmadik EGRET katalógus

Szerző: Veres Patrik Milán / Csillagászati demonstrátor
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet / Svábhegyi Csillagvizsgáló

📸 Borítókép forrása: Az EGRET égboltképe. Forrás: heasarc.gsfc.nasa.gov

A cikk folytatása itt található.