Právě včera uplynulo přesně 15 let od chvíle, kdy Američané vypustili do kosmického prostoru teleskop GLAST, známější jako Fermi. Jedná se o jeden z nejpokročilejších projektů pro studium gama záření vesmíru, který za dobu své činnosti velmi pomohl astronomům z celého světa a o velký kus posunul naše znalosti fyziky vysokých energií. Většinu plánovaných cílů dokázal bez problémů splnit, navíc ale přidal také množství úplně nových nečekaných objevů. A přitom ani zdaleka nekončí, ačkoliv totiž byla jeho mise původně plánována na maximálně deset let, funguje stále bezvadně. Proto se od něj v nadcházejících letech můžeme těšit na celou řadu dalších zajímavých výsledků.

Vývoj

Gama záření, nejenergetičtější část elektromagnetického spektra, známe teprve od počátku minulého století. Ve výzkumu vesmíru dlouho nehrály paprsky gama významnější úlohu, zemská atmosféra je totiž pro tento typ záření nepropustná. Kosmické zdroje gama záření jsme proto objevili až v 60. letech, v době počátků kosmonautiky. Americká družice Explorer 11 se v roce 1961 stala první sondou schopnou detekovat gama fotony z kosmu a objevila asi 120 zdrojů gama záření.

Od té doby létají gama observatoře do kosmického prostoru poměrně pravidelně. Nejvýznamnější z nich byly evropská observatoř Integral, velká americká sonda Compton a další americká družice Swift přímo specializovaná na detekci gama záblesků. Postupně ale vyvstala potřeba další gama observatoře. Ta začala vznikat jako společný projekt americké NASA, ministerstva energetiky USA a mezinárodních partnerů, kterými byly organizace z Francie, Itálie, Japonska, Německa a Švédska. Nová observatoř měla významně pomoci v pochopení kosmického gama záření.

Cíle mise

Americká kosmická agentura NASA navrhovala misi observatoře GLAST jako pětiletou, s možností případného prodloužení na deset let. Nyní tedy teleskop přesluhuje již i původní plány v případě prodloužení činnosti. Ovšem s ohledem na to, že Národní akademie věd přidělila sondě nejvyšší prioritu, lze tento fakt hodnotit jen pozitivně.

Sonda měla podle vědců plnit pět hlavních úloh. Za prvé pochopit mechanismy urychlování částic u extrémních objektů jako jsou pulsary, supernovy či aktivní galaktická jádra. Za druhé najít co nejvíce dosud neznámých zdrojů gama záření. Za třetí důkladně probádat gama záblesky na co nejvyšších energiích. Za čtvrté pátrat po temné hmotě a zkoumat raný vesmír. A konečně za páté pokusit se najít tzv. primordiální černé díry.

Kromě těchto hlavních cílů se očekávalo také množství dat z dalších pozorování. Jde například o studium relativistických výtrysků z blazarů, jednoho z typů aktivních galaktických jader. Astronomy zajímala i nová data o naší Mléčné dráze. A ještě blíže k domovu vědci toužili prozkoumat gama záření ze Slunce. Teoretičtí fyzikové zase chtěli, aby sonda otestovala některé význačné fyzikální teorie, zejména obecnou relativitu a kvantovou mechaniku.

Vědecké přístroje

Aby mohl GLAST tyto náročné cíle splnit, musel nést potřebné experimentální vybavení. Konkrétně šlo o dvojici vědeckých přístrojů Large Area Telescope (LAT) a Gamma-ray Burst Monitor (GBM), díky nimž je teleskop citlivý na vlnové délky od střední rentgenové oblasti až po extrémně energetické gama záření.

LAT je detektor gama záření, který dokáže zachytit fotony o energiích asi 20 MeV až 300 GeV a disponuje velkým zorným polem, neboť dokáže snímat najednou asi pětinu oblohy. Rozlišení je pro nejvyšší energie několik úhlových minut, u nižších energií potom asi tři stupně. LAT funguje tak, že fotony z kosmu dopadají na tenké kovové destičky, na nichž dochází k jejich přeměně na elektron – pozitronový pár. Tyto částice pak procházejí křemíkovými detektory, kde vytváří drobné pulsy elektrického náboje. Poté se dostanou do kalorimetru skládajícího se ze soustavy krystalů jodidu cesného. Díky soustavě detektorů pak mohou fyzikové určit směr i energii přicházejících částic.

GBM je určen k detekci záblesků gama záření a to ze Slunce a astrofyzikálních zdrojů. Skládá se ze čtrnácti scintilačních detektorů jodidu sodného pracujících na energii 8 keV až 1 MeV a dvou krystalů Bi₄Ge₃O₁₂, které fungují pro energie 150 keV až 40 MeV. Tyto detektory jsou umístěny na boku sondy, což umožňuje sledovat najednou celou oblohu (pochopitelně kromě části, která je aktuálně blokována zemským tělesem).

Kosmickou loď o rozměru 2,8 krát 2,5 metru a hmotnosti 4,3 tuny postavila americká společnost General Dynamics v závodě umístěném v arizonském městě Gilbert. Zde také došlo k důkladnému otestování obou přístrojů na extrémní podmínky, aby si byli inženýři jisti, že vydrží náročné podmínky startu a vlastního letu. Přístroje prošly testy na nízké i vysoké teploty, vibrace a dělaly se též zkoušky ve vakuu. Po úspěšném dokončení technici integrovali přístroje do těla kosmické sondy. V tu chvíli již nic nebránilo startu.

Začátek mise

Jak je u amerických misí obvyklé, také v tomto případě měla sestava vzletět z floridského kosmodromu Cape Canaveral. Na Floridu sonda dorazila v březnu 2008, po několika zdrženích byl počátkem června stanoven termín startu na 11. června. Ten den už vše naštěstí proběhlo bez větších problémů a tak se raketa Delta II s observatoří GLAST mohla vznést k obloze.

Asi hodinu a čtvrt po startu došlo k oddělení teleskopu, který se pak usadil na téměř kruhové oběžné dráze kolem Země s výškou perigea 526 km a výškou apogea 543 km. Sklon k rovníku činí 25,6 stupně. 23. června proběhly některé úpravy softwaru teleskopu a o dva dny později došlo k aktivaci vědeckých přístrojů, které ale ještě musely projít testováním a kalibrací. Vědecká fáze začala proto oficiálně až o několik týdnů později. Brzy přišly i první objevy, avšak ještě předtím získal GLAST nové pojmenování.

GLAST je mrtev, ať žije Fermi

Do kosmického prostoru tedy observatoř odstartovala ještě pod jménem GLAST. Už v únoru 2008 ale NASA vyhlásila ústy svého administrátora pro vědu Alana Sterna soutěž o nové pojmenování. Ta měla uzávěrku na konci března téhož roku a podmínkou bylo vymyslet název, který by vystihoval podstatu mise, ale současně by byl jednoduchý a chytlavý, tak aby se o sondě dalo diskutovat u jídla.

Vítězný návrh pracoval se jménem špičkového italského fyzika Enrica Fermiho (1901 – 1954). Fermi byl jedním z nejvýznamnějších fyziků první poloviny 20. století, vypracoval klíčové příspěvky k mnoha oblastem bádání. Jako jeden z prvních pozoroval jaderné štěpení (byť si výsledky experimentu neuvědomil). Jeho zásluhou byl roku 1942 postaven první funkční jaderný reaktor a později se podílel na vývoji amerických jaderných a termojaderných zbraní.

Významný byl i jeho přínos k rozvoji teorie částic a byl rovněž jedním z klíčových mužů statistické fyziky. Jeho statistika se dodnes používá pro částice s poločíselným spinem fermiony, které se také jmenují po něm. A opomenout nemůžeme ani Fermiho paradox, tedy otázku kde jsou všichni mimozemšťané, pokud existují, a proč nás ještě nekontaktovali. Byť tento dotaz vznesl původně v Los Alamos někdo jiný, Fermimu jej už asi nikdo nikdy neodpáře. No a Fermi mimo jiné vychoval i řadu dalších skvělých fyziků jako byli Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Tsung-Dao Lee či Jerome Fridman.

S ohledem na Fermiho přínosy v oblasti částicové fyziky a fyziky vysokých energií je myslím pojmenování jednoho z nejvýznamnějších gama teleskopů NASA právě po italském fyzikovi zcela v pořádku. K aktu přejmenování došlo 26. srpna 2008, kdy GLAST definitivně získal jméno Fermi, přesněji Fermi Gamma-ray Space Telescope (doslova Fermiho kosmický gama teleskop). Toto jméno se od té doby běžně používá, byť se výjimečně stále lze setkat i se jménem GLAST.

Nejdůležitější objevy

Protože pracuje Fermi už tak dlouhou dobu, má na kontě celou řadu významných výsledků. Pojďme si nyní několik z nich představit. A začněme ve Sluneční soustavě. V roce 2012 teleskop spatřil fotony pocházející ze sluneční erupce, které měly energii rovnou 4 GeV. Nikdy dříve fyzikové neviděli takto energetické světlo ze Slunce. A Fermi pozoroval i naši Zemi, konkrétně bouře v atmosféře, při kterých také vzniká gama záření. Konkrétně se zjistilo, že pozemské záblesky gama záření mohou produkovat až 100 bilionů pozitronů, výrazně více, než se dříve čekalo.

V naší Galaxii taktéž observatoř pozorovala celou řadu fascinujících objektů. Zjistila například, že po supernově CTA 1 zůstal pulsar, který vyzařuje pouze gama záření. Žádný takový přitom fyzikové do té doby neznali. Pulsar je vzdálený 4600 světelných let a má periodu rotace 316,86 milisekund. Jen o něco později se podařilo zjistit, že supernovy mohou působit jako obří kosmické urychlovače, když ovlivňují částice kosmického záření.

Koncem roku 2010 Fermi objevil gigantické bubliny nad a pod galaktickým diskem vycházející z oblasti středu Mléčné dráhy, které posléze získaly název Fermiho bubliny. O možném objasnění jejich původu jsme zde hovořili poměrně nedávno. S naší Galaxií pak souvisí také zjištění přebytku gama záření ve sféře obepínající oblast jádra Mléčné dráhy. Důvod přebytku znám není, může jít o anihilaci temné hmoty, či zvýšený výskyt pulsarů.

Pokud jde o zdroje gama záření v kosmologických vzdálenostech, pak Fermi zjistil, že většina gama záření na pozadí nepochází z aktivních galaktických jader, jak se dříve očekávalo. Nyní se zkoumají alternativní zdroje, jimiž by mohly být hvězdotvorné galaxie nebo temná hmota. Zmínit se musíme i o několika gama záblescích. Těsně po startu, v září 2008, došlo k detekci záblesku GRB 080916C s energií odpovídající 9 000 běžných supernov. Relativistický výtrysk z této události dosáhl rychlosti 99,9999 % rychlosti světla. Tento rekord byl ještě překonán v dubnu 2013, kdy teleskop zachytil záblesk GRB 130427A s energií 94 GeV, což GRB 080916C překonalo zhruba trojnásobně.

Snad největší zářez si ale Fermi připsal v srpnu 2017, když zachytil gama záblesk GRB 170817A. Šlo v podstatě o úplně běžnou událost tohoto typu, až na to, že detektory LIGO v USA zaznamenaly stejnou událost jakožto gravitační vlnu GW 170817. Rozdíl mezi příchodem signálu z gravitačních vln a záření gama byly asi dvě sekundy. Poznamenejme ještě, že k události došlo v galaxii NGC 4993 vzdálené 130 milionů světelných let a šlo o srážku dvou neutronových hvězd. Tento případ je prvním v historii, kdy se podařilo detekovat současně elektromagnetický i gravitační signál z jednoho fyzikálního procesu.

Ocenění

Vzhledem k mnoha význačným vědeckým výsledkům není divu, že se klíčové osobnosti projektu Fermiho observatoře a mnozí vědci s ní pracující dočkali řady prestižních ocenění. Mezi všemi vyčnívá především cena Bruna Rossiho udělovaná americkou astronomickou společností za významný přínos k astrofyzice vysokých energií, která byla v souvislosti s tímto teleskopem udělena hned čtyřikrát.

Poprvé to bylo v roce 2011, kdy komise vyznamenala Williama Atwooda, Petera Michelsona a tým stojící za detektorem LAT a to za nové pohledy na neutronové hvězdy, zbytky supernov, kosmické záření, gama záblesky a binární systémy. O dva roky později se laureáty stali Alice Harding a Roger Romani za teoretické práce vedoucí k mnoha zajímavým pozorováním pulsarů uskutečněným pomocí Fermiho teleskopu. Rok na to došlo k ocenění Douglase Finkbeinera, Meng Su a Tracy Slatyer, kteří stáli za objevem Fermiho bublin. A zatím poslední cena související s naší observatoří byla udělena roku 2017 fyzičce Colleen Wilson-Hodge a vědeckému týmu detektoru GBM za objev GRB 170817A.

Závěr

Konstruktéři odvedli na observatoři Fermi výbornou práci. Díky tomu došlo již ke třetímu prodloužení mise sondy a my tak můžeme slavit její patnácté narozeniny. Poprvé byla mise prodloužena po pěti letech činnosti (2013), podruhé po deseti letech (2018), kdy došlo k zajištění provozu na nejméně další čtyři roky. Protože však i v roce 2022 fungoval Fermiho teleskop bezchybně, rozhodla se agentura NASA pro schválení ještě delší doby provozu. Pokud se nic nepokazí, můžeme se ještě několik let těšit na zajímavá pozorování, která snad přinesou přinejmenším stejný počet důležitých objevů jako dosud.

Použité a doporučené zdroje

• Fermi NASA Goddard: https://fermi.gsfc.nasa.gov/
• Fermi NASA: https://www.nasa.gov/content/fermi/overview

Zdroje obrázků

• https://www.nasa.gov/images/content/317877main_Fermi_LAT.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/72/Explorer_11_ground.gif
• https://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_2019-12-17-pulsar_magnetosphere_model_web-gif-GIF-Image-1042-%C3%97-582-pixels.png
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/hPivWAfZjyiWV5NKM9xiF8-1200-80.jpeg
• https://fermi.gsfc.nasa.gov/science/eteu/about/Fermi_instruments.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/88/Fermi_gamma_telescope_LAT_Cal1_lg.jpg
• https://www.nasa.gov/images/content/245959main_launch-lg.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/Enrico_Fermi_1943-49.jpg
• https://chicagomaroon.com/wp-content/uploads/2018/02/Enrico-Fermi-Medal-of-Merit-768×620-1.jpg
• https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a011000/a011000/LAT_all-sky_flare_March_7_2012_labels.jpg
• https://www.nasa.gov/images/content/283511main_fermigrop_pulsarmodel_HI.jpg
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/7kmmPgNZM7s9p4uS2xxVNB.jpg
• https://astronomy.com/-/media/Images/Greatest%20Mysteries/11%20to%2020/RecordBlast.jpg?mw=1000&mh=800
• https://images.squarespace-cdn.com/content/v1/5f5c2381e92c7850d32ef8c9/1599873947333-MICFJ0YTVLECVWZBAR3J/tracy_slatyer.jpg