Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

INTEGRAL start se blíží

Rozvoj astronomie vysokých energií
 |  5. 8. 2002
 |  Vesmír 81, 454, 2002/8

Jestliže pozorujeme oblohu prostým okem, spatříme za velmi dobrých podmínek nanejvýš asi 3000 hvězd, které se nacházejí ve vesmíru ne hlouběji než stovky světelných let od nás. S obřím astronomickým teleskopem však můžeme studovat miliony hvězd i galaxií ve vzdálenostech miliard světelných let. Vesmír obsahuje nepředstavitelně více objektů než ty, které můžeme pozorovat přímo. Protože je viditelné světlo jen velmi malou částí celého elektromagnetického spektra, zůstávají tyto objekty lidskému oku utajeny.

Jestliže však astrofyzikové chtějí porozumět struktuře a vývoji vesmíru, musí své teoretické modely srovnávat se skutečnými ději, které v něm probíhají. Čím přesnější data mají na vstupu, tím přesněji mohou své teorie testovat. Proto se snaží získat co nejpřesnější informace o chování studovaných objektů v co možná nejširším pásmu elektromagnetického záření, to znamená od velmi krátkých vlnových délek záření gama přes oblast viditelného světla až k dlouhým rádiovým vlnám.

Optická astromonie poskytuje díky svým teleskopům (pozemským i vesmírným) detailní informace o záření objektů ve viditelné části elektromagnetického spektra, radioastronomie rozšiřuje naše znalosti o jejich chování v dlouhovlnném pásmu elektromagnetických vln, astrofyzika vysokých energií (rozvíjející se teprve v posledních desetiletích) studuje vesmírné objekty na velmi krátkých vlnových délkách, tj. v oblasti záření rentgenového i gama.

Detekce záření (jak rentgenového, tak gama) je technicky velmi složitá a z velké části ji umožnil teprve kosmický výzkum. K pozorování se používají především speciální přístroje teleskopy na palubách kosmických družic. Jednou z nich bude i připravovaná družice INTEGRAL (viz rámeček).

Vědecké cíle projektu

Přístroje na družici INTEGRAL byly navrženy tak, aby pozorovateli poskytly ucelený přehled chování studovaného objektu v širokém spektrálním pásmu. V oblasti gama-záření bude INTEGRAL schopen detegovat fotony s energií až 10 MeV, v oblasti rentgenového záření fotony s energií od 15 do 35 keV. CCD­kamera pokryje viditelnou část spektra. Jedinečná výhoda družice spočívá především ve schopnosti simultánního pozorování vesmírných objektů všemi přístroji najednou. INTEGRAL se zaměří na studium následujících objektů a jevů ve vesmíru:

  • Aktivní galaxie. Ukazuje se, že mnoho kosmických zdrojů gama-záření jsou produkty dějů probíhajících blízko gigantických černých děr v centrech vzdálených galaxií.
  • Zdroje gama-záření v naší galaxii. Některé z nich leží blízko centra naší galaxie a jsou dost intenzivní. Družice by mohla umožnit odpověď na otázku, zda se v jádru naší galaxie nachází obří černá díra.
  • Záblesky gama-záření poukazují na exploze v dalekém kosmickém prostoru, které zatím nebyly vysvětleny. Předpokládá se, že souběžným sledováním daného jevu všemi palubními přístroji přispěje INTEGRAL k řešení tohoto záhadného jevu, jímž se astrofyzikové zabývají již více než třicet let (viz R. Hudec, Vesmír 78, 187, 1999/4 a Vesmír 78, 265, 1999/5).

  • Supernovy. Při výbuchu supernov se do vesmírného prostoru dostávají radioaktivní prvky jako nikl 56, titan 44, hliník 26 či železo 60. Detailní studium záření těchto prvků přispěje k lepšímu pochopení mechanizmů výbuchů supernov.
  • Neutronové hvězdy. Je známo mnoho neutronových hvězd (pozůstatků hvězd, které vybuchly) zářících v oblasti rádiových vln, ale v posledních letech byly objeveny i neutronové hvězdy vydávající rentgenové záření. Právě na jejich hledání se INTEGRAL zaměří.
  • Hvězdné černé díry. Když je jádro vybuchlé hvězdy stlačeno ještě mnohem více než u neutronové hvězdy, vytvoří malou černou díru. INTEGRAL bude studovat gama-záření těchto objektů (jedním z nich je např. Cygnus X-1) a pokusí se objasnit záhady kolem stelárních černých děr.

Přístrojové vybavení

Pozorování kosmického gama-záření je obtížný úkol. Tyto vysoce energetické fotony totiž pronikají poměrně snadno mnoha materiály, a proto nemohou být zaostřeny v ohniskové rovině přístoje pomocí klasických optických zrcadel nebo čoček. K jejich zjištění slouží speciální detektory, technika tzv. kódové masky a poměrně složité matematické postupy dekonvoluce obrazu. 1)

Družice má na palubě dva hlavní přístroje: teleskop IBIS a spektormetr SPI. Ty budou podporovány dvěma monitorovacími systémy: rentgenovým teleskopem JEM-X a optickou CCD-kamerou.

  • Teleskop IBIS. Tento přístroj poskytne velmi ostré obrázky zdrojů gama ve vesmíru. Rozlišovací schopnost teleskopu je 12 obloukových minut přes celé pásmo 15 keV 10 MeV. Zdroje mají být lokalizovány s přesností 1 obloukové minuty. Přístroj se skládá z detektoru a kódové masky, jež je umístěna ve vzdálenosti 3,2 m před ním.
  • Spektrometr SPI. Energii gama-záření bude měřit s vynikající přesností, jeho citlivost má být 100krát vyšší ve srovnání s přístroji dřívějších družic. Bude provádět spektrální analýzu bodových zdrojů gama-záření v pásmu 20 keV 8 MeV s rozlišením 2 keV při 1 MeV. Kódová maska je umístěna ve vzdálenosti 1,7 m před germaniovými detektory. Celková hmotnost přístroje je 1300 kg.
  • Rentgenový monitor JEM-X. Tento dalekohled hraje klíčovou roli v detekci a identifikaci zdrojů rentgenových či gama. Bude využíván k souběžným pozorováním s teleskopem IBIS a spektrometrem SPI. Poskytne klasické snímky, spektrální data i časový vývoj chování studovaných objektů. Jeho rozsah citlivosti pokrývá pásmo 335 keV s úhlovým rozlišením 3 obloukových minut. Na palubě jsou umístěny dva identické přístroje. JEM-X rovněž využívá techniku kódové masky (ta je umístěna ve vzdálenosti 3,2 m před každým z detektorů).
  • Optická CCD-kamera 2) OMC. Tato kamera nabízí vůbec první možnost souběžných pozorování gama či rentgenových zdrojů také ve vizuální oblasti. Paralelní pozorování jsou velmi důležitá při studiu vysoce energetických zdrojů, jejichž proměnnost je (typicky) velmi rychlá.

    CCD-kamera je umístěna na vrcholu družice a je schopna detegovat objekty až do 19,2 hvězdné magnitudy ve vizuální oblasti. Průměr objektivu je 50 mm, rozlišovací schopnost 18 obloukových sekund. CCD-čip se skládá z matice 1024 × 1024 obrazových elementů.

To nejlepší, co lze technicky uskutečnit

Astronomie vysokých energií se v posledních několika desetiletích rychle rozvíjí. Družice INTEGRAL pak představuje to nejlepší, co lze v současné době technicky uskutečnit. Snaží se navázat na velmi úspěšné předchozí mise, kterými byly především NASA Compton Gamma Ray Observatory a italsko-holandská družice BEPPO-SAX. Potěšující je, že se do tohoto projektu zapojili i naši astronomové. 3) 4)

Obrázky

Poznámky

1) Technika kódové masky (hardware) a dekonvoluce obrazové funkce (matematický postup) tvoří spolu řešení jak zobrazit objekty, které vysílají velmi tvrdé rentgenové nebo gama záření. Na rozdíl od viditelného záření, které lze zaostřit v ohniskové rovině teleskopu, toto záření optickou soustavou prochází beze změny směru paprsku. Proto se používá kódová maska deska ze speciální slitiny s vhodně uspořádanými otvory, jimiž při pozorování prochází záření na detektory. Na nich se vytvoří obraz stín té masky. Z daného stínu a známého rozmístění otvorů v masce se dá matematicky zpětně vypočítat skutečný obraz objektu, jehož záření dopadalo do teleskopu.
2) CCD charge coupled devices (nábojově vázané prvky); jde o polovodičový obrazový snímač.
3) Od r. 1997 jsme členy konsorcia, které se zabývá vývojem družice. Astronomický ústav AV ČR vyvinul velkou část programů pro zpracování dat z Optical Monitoring Camera (OMC), což je CCD­kamera na palubě družice, a sadu programového vybavení pro operační monitorování jednotlivých přístrojů. Díky naší aktivní účasti při vývoji programového vybavení družice mají čeští vědci garantovaný přístup k jejím vědeckým datům.
4) Naše účast na projektu je podpořena granty MŠMT KONTAKT ES-036 a ESA PRODEX 14527/00/NL, výzkum záblesků gama grantem GA ČR č. 205/99/0145
5) Energie gama-záření se obvykle udává v elektronvoltech (eV), což je jednotka SI pro energii užívaná v částicové fyzice (1 eV je energie udělená částici s elementárním nábojem potenciálním rozdílem 1 volt).

INTEGRAL

(INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) je speciální astrofyzikální družice určená k pozorování velmi energetických zdrojů ve vesmíru, především záření rentgenového a gama. Vyvíjí ji Evropská vesmírná agentura (na vývoji se podílí i Česká republika). Družice bude schopna detegovat fotony s energií od 15 keV do 10 MeV. 5) Pro srovnání uvádím, že viditelné světlo má energii od 2 do 3 eV, rentgenové záření řádově tisíce eV. INTEGRAL bude tedy pozorovat nejenergetičtější zdroje ve vesmíru, mezi něž patří aktivní galaxie, neutronové hvězdy, supernovy a černé díry. Předpokládá se také detekce záblesků gama.

Start družice je plánován na 17. října 2002. Na oběžnou dráhu Země ji vynese raketa Proton z Bajkonuru v Kazachstánu. Oběžná dráha je velmi excentrická s apogeem (nejvzdálenějším bodem od Země) 153 000 km, což družici zajistí asi 90 % pobytu mimo zemské radiační pásy. Tato výstřední dráha s dobou oběhu 72 hodin je pro pozorování kosmického gama-záření nutná. Předpokládaná doba životnosti družice je 2–5 let.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Kosmonautika

O autorovi

Jan Soldán

Dr. Ing. Jan Soldán (*1957) vystudoval informaiku na VUT v Brně, umělou inteligenci a biokybernetiku na ČVUT v Praze. V Astronomickém ústavu AV ČR v Ondřejově se zabývá především vývojem programového vybavení pro řízení astronomických teleskopů a CCD-kamer. Od r. 1997 pracuje v „INTEGRAL Science Data Centre“ u Ženevy na vývoji programového vybavení družice ESA INTEGRAL – International Gamma Ray Laboratory. (e-mail: jsoldan@asu.cas.cz)

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné