Rentgenový teleskop Chandra je jedním z nejdůležitějších kosmických dalekohledů minulosti i současností. Na svém kontě má celou řadu důležitých fyzikálních a astronomických objevů, i množství velmi povedených fotografií. V uplynulých letech jsme o této observatoři hovořili na našem webu poměrně často, avšak teď to uděláme znovu, protože právě dnes uplynulo 25 let od jejího startu do kosmického prostoru. Celé čtvrtstoletí funkční nevydrží ani zdaleka každý kosmický dalekohled. Je tedy zcela na místě si Chandru v tomto článku připomenout.

Historie rentgenové astronomie

Rentgenové záření objevil v roce 1895 německý fyzik Wilhelm Conrad Röntgen. Jedná se o jeden z druhů elektromagnetického záření, jako je například i viditelné světlo nebo infračervené vlny. Oproti nim má ale rentgenové záření výrazně kratší vlnovou délku a naopak podstatně vyšší frekvenci a energii. Röntgen získal za svůj objev první Nobelovu cenu za fyziku v historii udělenou roku 1901. A není divu, jím objevené záření brzy nalezlo velké uplatnění například v lékařství. Mimochodem, v češtině a dalších jazycích se ujal název rentgenové záření právě na počest tohoto slavného fyzika. Sám Röntgen byl ovšem velmi skromný muž a proto dával přednost označení paprsky X (sám tento název vymyslel), což se dodnes používá v angličtině a mnoha jiných jazycích.

Rentgenové záření naštěstí pro pozemský život spodní vrstvy zemské atmosféry nepropouští, takže využití v astronomii bylo silně omezeno. Alespoň částečně proniká toto záření vyššími vrstvami atmosféry, takže v průběhu 30. a 40. let učinili vědci první objevy v této oblasti za pomoci sondážních raket. Na větší rozvoj této oblasti jsme si však museli počkat až do počátku kosmického věku v říjnu 1957, kdy se na oběžnou dráhu dostala první družice světa, Sputnik. Poněkud panická reakce ze strany Američanů je dobře známa, nicméně první americká družice na sebe nenechala dlouho čekat. A velmi brzy přišla na řadu i premiéra družic s vědeckým zaměřením, byť jejich přístroje byly z dnešního pohledu pochopitelně poněkud primitivní.

Důležité pro nás však je, že díky startu Sputniku si řada vědců naplno uvědomila potenciál kosmických observatoří a začala připravovat přelomové mise. Na americké straně se zasloužili o rozvoj rentgenové astronomie zejména Riccardo Giacconi (nositel Nobelovy ceny pro rok 2002), Frank Paolini, Herbert Gursky a Bruno Rossi.  Tito muži stáli za první specializovanou rentgenovou observatoří Uhuru či dalším významným astronomickým rentgenovým dalekohledem HEAO-2 (Einsteinův dalekohled). Povšimněte si prosím, že hned tři ze čtyř průkopníků rentgenové astronomie v USA mají italská jména. Není to žádná náhoda, Rossi emigroval do USA kvůli hrozbě fašismu, Giacconi emigroval až po válce kvůli lepším podmínkám pro výzkum. V 60. letech už však oba měli občanství USA. Třetí z nich – Paolini, se už narodil v USA, měl však italské předky.

Návrh na velký rentgenový teleskop

Byl to právě výše zmíněný Riccardo Giacconi kdo navrhl NASA vypuštění velké observatoře zaměřené na pozorování rentgenového záření. Společně s ním je pod nápadem podepsán ještě další americký fyzik Harvey Tananbaum. Teleskop tehdy nesl název Advanced X-ray Astrophysical Facility (AFAX) a přípravné práce na jeho projektu byly zahájeny v roce 1977. Projekt vedlo Marshallovo kosmické středisko NASA ve státě Alabama a společně s ním Smithsonian Astrophysical Observtory ve státě Massachusetts. Práce probíhala celá 80. léta a pokračovala i do deváté dekády minulého století.

V roce 1992 ovšem došlo k zásadní změně. Aby mohly být sníženy celkové náklady, došlo k redukci celého projektu. Z původních dvanácti plánovaných zrcadel zůstalo osm a ze šesti připravovaných vědeckých přístrojů byly ponechány čtyři. Také došlo k úpravě plánované oběžné dráhy. Z kruhové se změnila na velmi protáhlou eliptickou, která má apogeum ve třetině vzdálenosti Měsíce od Země. To sice zamezilo možnosti servisní mise provedené pomocí amerického raketoplánu, na druhou stranu se díky tomu observatoř většinu doby drží nad Van Allenovými radiačními pásy.

Pojmenování observatoře

Velké observatoře NASA, nebo chcete-li vlajkové mise, se obvykle neoznačují akronymy za nimiž se skrývají složitá jména, ale jsou pojmenovány podle některého z významných vědců. NASA ani v tomto případě nebyla s označením AFAX spokojena, proto vypsala v roce 1998 soutěž na jméno pro nový velký rentgenový dalekohled. Vítězné duo, středoškolská učitelka Jatila van der Veen se svým studentem Tyrelem Johnsonem, navrhlo nazvat dalekohled podle významného indického astrofyzika Subrahmanyana Chandrasekhara, držitele Nobelovy ceny za fyziku pro rok 1983.

Chandrasekhar se sice nikdy přímo nezabýval rentgenovou astronomií, stojí však za lepším pochopením vysokoenergetických astrofyzikálních procesů. Jeho nejzásadnější práce totiž stanovuje maximální možnou hmotnost bílých trpaslíků, což dovoluje lépe porozumět nejen těmto zajímavým objektům, ale i tělesům příbuzným jako jsou neutronové hvězdy a černé díry. Chandrasekharovo jméno je ovšem pro pojmenování kosmické observatoře trochu dlouhé, proto výše zmínění autoři navrhli zkrácené pojmenování Chandra, což byla ostatně Chandrsekharova přezdívka. Navíc Chandra znamená v sanskrtu Měsíc.

Start a vypuštění

Původně se měla Chandra vydat do kosmického prostoru ještě v roce 1998, ale jak už to v kosmonautice často chodí, i tento program postihly odklady. Stavba teleskopu se o několik měsíců zpozdila, proto nakonec vypustil Chandru až raketoplán Columbia v průběhu mise STS-93. Ta byla zajímavá i proto, že raketoplánu (a kosmické lodi obecně, nepočítáme-li jednočlenný Vostok 6) velela poprvé žena, americká pilotka Eileen Collins. Po startu raketoplánu, k němuž došlo 23. července 1999, se Chandra odpoutala od orbiteru, pak se zažehly motory, které observatoř urychlily a dopravily na plánovanou oběžnou dráhu. Jelikož činí hmotnost Chandry téměř 23 tun, jde o vůbec nejtěžší náklad vynesený americkými raketoplány v historii jejich provozu.

První fáze samostatné činnosti teleskopu se neobešla zcela bez problémů. Při prvních několika průchodech radiačními pásy došlo k poškození CCD senzorů spektrometru ACIS. To se začalo řešit tím, že se tyto senzory při průchodu radiačními pásy odstraňují z ohniskové roviny dalekohledu, tím jsou chráněny a nenastává jejich další poškození. Kromě těchto obtíží ovšem fungovala observatoř na jedničku, proto už v září 2001 agentura NASA misi plánovanou na pět let prodloužila na dvojnásobek. Odborníci z Harvardovy univerzity, kteří jsou hlavními provozovateli teleskopu (ve spolupráci s MIT a s firmou Northrop Grumman Corporation), si tak mohli vydechnout úlevou.

Průběh letu

I dále pokračoval let observatoře Chandra bez větších problémů. V roce 2004 byla například uveřejněna studie, že na základě analýzy stavu přístrojů Chandry se dá očekávat, že by mohla fungovat až patnáct roků. Úspěch Chandry a podobného evropského projektu XMM-Newton vedl k většímu zájmu o rentgenovou astronomii. Největším z následných projektů byla International X-ray Observatory, společné dílo americké NASA, evropské ESA a japonské JAXA. Později ovšem došlo ke zrušení programu. Neumřel však zcela. Jeho základy posloužily ESA při přípravě plánované velké budoucí rentgenové observatoře ATHENA. Americká strana mezitím navrhla ještě výkonnější teleskop Lynx.

Ale zpět k Chandře. Ta fungovala bez výraznějších obtíží až do října 2018, kdy došlo k závadě na jednom z gyroskopů. V důsledku toho byla Chandra uvedena do nouzového režimu. A to pouhý týden po další z velkých observatoří NASA, slavném teleskopu Hubble. Obavy odborníků o další osud mise se naštěstí ukázaly jako neopodstatněné. Závada byla během několika dní objevena a vyřešena. Vadný gyroskop skončil jako záložní a Chandra se rychle vrátila do stavu, kdy je schopna provádět vědecká pozorování. A jelikož si ji tu dnes připomínáme, nemělo by nás překvapit, že funguje dodnes, už 25 let. Původně plánovanou životnost tak překračuje už pětinásobně.

Technická specifikace

Chandru sice označuji za dalekohled či teleskop, ale oproti optickým protějškům funguje dosti odlišně. Optické teleskopy mají obvykle poměrně jednoduchá parabolická zrcadla, byť jejich přesná konstrukce se samozřejmě liší v závislosti na konkrétním přístroji. Ty pozemní často disponují pokročilo technikou adaptivní optiky, ale to je na jiný článek. Rentgenové observatoře obvykle využívají tzv. Wolterův dalekohled, který speciálně pro použití při rentgenové astronomii navrhl v 50. letech německý fyzik Hans Wolter. Běžné konstrukce dalekohledů pro viditelné světlo jsou totiž v tomto případě nepoužitelné, jelikož by v takovém případě došlo k absorpci většiny rentgenových fotonů.

Důvod je v tom, že na dalekohledy pracující ve viditelném světle dopadají fotony téměř kolmo. Pro rentgenové záření potřebujeme konstrukci, kdy dochází k odrazu pod dosti malým úhlem. Wolterův dalekohled se tak skládá z několika do sebe vnořených paraboloidů a hyperboloidů potažených iridiem nebo zlatem. Jeden Wolterův dalekohled sám o sobě by navíc fungoval dosti špatně, vyskytovala by se u něj značná kóma neboli komatická aberace, kdy bychom bod neviděli jako bod, nýbrž jako větší objekt. To se zde řeší tím, že nepoužijeme jeden Wolterův dalekohled, ale hned dva. Díky tomu je možné pozorovat i v poměrně širokém zorném poli. Přesné detaily pozorování rentgenovými teleskopy prozkoumal německý fyzik Berndt Aschenbach v roce 1985.

Chandra používá celkem čtyři páry soustředných tenkostěnných Wolterových teleskopů typu I. Celá soustava se nazývá High Resolution Mirror Assembly (HRMA). Přední zrcadlo v každé dvojici je paraboloid, zadní hyperboloid. Zrcadla jsou vyrobena ze speciální lithium-aluminosilikátové sklokeramiky Zerodur vyráběné německou společností Schott AG. Tato sklokeramika je v astronomii široce používaná, disponují jí třeba i Keckovy dalekohledy nebo vzdušná observatoř SOFIA umístěná na palubě Boeingu 747. Tento materiál je potažen tenkou vrstvou chromu, který jej spojuje se svrchní lesklou vrstvou iridia. Zrcadla jsou dlouhá 0,84 metru a jejich průměr je 0,65 metru (nejmenší), 0,87 metru, 0,99 metru a 1,23 metru (největší). Ohnisková vzdálenost teleskopu je 10,02 metru.

Vynikající optická soustava zaručuje to, že 80 až 95 % přicházejícího rentgenového záření je soustředěno do oblasti o velikosti jedné úhlové vteřiny. Kvůli mírně odlišné konstrukci zrcadel má Chandra ve srovnání s evropským teleskopem XMM-Newton menší sběrnou plochu, avšak na druhou stranu zase disponuje lepším rozlišením. A to až 0,5 obloukové vteřiny, což je tisíckrát více než měl první rentgenový dalekohled na oběžné dráze v historii. Co se týče citlivosti, Chandra dokáže měřit rentgenové záření o vlnové délce 0,12 až 12 nanometrů, což odpovídá energiím 0,1 až 10 keV.

Hmotnost teleskopu dosahuje 5 860 kilogramů, suchá hmotnost bez pohonných hmot pak 4 790 kilogramů. Pozor, neprotiřečím si s podkapitolou výše, kde jsem uvedl, že s hmotností téměř 23 tun byla Chandra nejtěžším vypuštěným nákladem z paluby amerických raketoplánů. Obojí je pravda. Hmotnost po odpoutání od Columbie se totiž počítá včetně urychlovacího stupně, který Chandru dopravil na cílovou oběžnou dráhu. Jeden oběh kolem Země po této vysoké eliptické dráze jí trvá 65 hodin a v apogeu je jedním z nejvzdálenějších lidmi vyrobených objektů obíhajících naši planetu.

Díky umístění na tuto dráhu může Chandra celých 55 hodin z 65 hodin oběhu nepřetržitě provádět užitečná vědecká pozorování. Aby bylo možné namířit na požadovaný objekt a udržovat pozici, disponuje observatoř gyroskopy, sluneční senzor a také dvě sady trysek. Právě i to zaručuje možnost tak vynikajících pozorování, jako Chandra už 25 let dělá, bez těchto technických postupů by kvalita vědeckých výsledků nebyla ani zdaleka taková.

Vědecké přístroje

Jak už jsme si řekli výše, věda byla v průběhu návrhu observatoře Chandra bohužel poněkud očesána. I tak však disponuje observatoř na tu dobu skvělými vědeckými přístroji. Dva hlavní instrumenty jsou součástí tzv. vědeckého přístrojového modulu (SIM) umístěného v ohniskové rovině teleskopu. Jednoduše řečeno jsou tedy zcela vepředu na tubusu dalekohledu. Tyto dva zásadní přístroje se jmenují ACIS a HRC. ACIS je právě ten přístroj, jehož CCD senzory utrpěly při prvních průchodech Van Allenovými pásy a tudíž se na něj nyní dává více pozor.

ACIS je jinak pokročilý CCD zobrazovací spektrometr, který se skládá z deseti CCD čipů a umí nám u požadovaného objektu ukázat jeho obraz i změřit spektrum. Nezapomínejme, že měření spektra je velmi důležité, neboť nám poskytuje mnoho užitečných informací, zejména o chemickém složení objektu a jeho radiální rychlosti (rychlost ve směru k nám nebo od nás). Citlivý je na rentgenové záření o energii 0,2 až 10 keV. HRC je kamera s vysokým rozlišením. Disponuje dvěma mikrokanálovými destičkami určenými k detekci jednotlivých fotonů a pracuje v rozmezí 0,1 až 10 keV. Časové rozlišení je u HRC 16 mikrosekund.

Oba přístroje, jak ACIS, tak HRC jsou polohovatelné, lze je tedy v průběhu pozorování natáčet a posouvat dle potřeby. Navíc jsou použitelné nejen samostatně, ale taktéž ve spolupráci s jednou ze dvou optických mřížek. Ty se vkládají do dráhy záření za zrcadly a poskytují observatoři možnost dělat spektroskopii s vysokým rozlišením. Jedna z nich je vysokoenergetická, druhá nízkoenergetická. Vysokoenergetická spektrální mřížka(HETGS) pracuje v rozmezí energií 0,4 až 10 keV, nízkoenergetická (LETGS) na úrovni 0,09 až 3 keV. Obě poskytují velmi přesná spektrální data, která jsou potřebná pro mnohé vědecké studie. Ty sice často neukazují úchvatné snímky vesmíru jako třeba JWST, ale bez Chandry a rentgenových observatoří obecně bychom se při průzkumu kosmu neobešli.

Nejvýznamnější objevy

Chandra stojí za celou řadou zajímavých vědeckých objevů, samozřejmě není prostor zde všechny podrobně rozebírat, proto alespoň stručně některé z nich. Podrobnější představení některých z nich snad někdy příště v nějakém budoucím článku a ostatně, o několika pozoruhodných výsledcích Chandry jsme už v minulosti na našem webu hovořili.

Observatoř se v minulosti podívala třeba na několik zbytků po výbuších supernov v naší Galaxii jako jsou Krabí mlhovina a Cassiopeia A. V Krabí mlhovině viděla kromě centrálního pulsaru také prstenec hmoty kolem něj, který dříve žádná sonda nespatřila, a také výtrysky, jež viděly dřívější dalekohledy jen velmi slabě. U Cassiopeii A se podařilo vůbec poprvé ve středu mlhoviny zaměřit kompaktní objekt, pravděpodobně pulsar, možná však černou díru. Chandra také pozorovala pozůstatek po supernově SN 1987A ve Velkém Magellanově mračnu, vědce ohromily zejména snímky rázové vlny supernovy. A na pozůstatku supernovy IC 443 je zase fascinující to, že neutronovou hvězdu vzniklou výbuchem supernovy objevily s pomocí dat z Chandry středoškolští studenti.

V Mléčné dráze pozorovala Chandra i centrální supermasivní černou díru Sagittarius A*, u níž poprvé v historii nalezla rentgenovou emisi. Později, v roce 2015 právě u této černé díry pozorovala rentgenovou erupci asi 400 krát silnější než byl dřívější rekord. Původ jevu není dodnes zcela jistě objasněn, astronomové se však domnívají, že za ním stojí buď rozpad planetky padající do černé díry nebo zvláštní chování siločar magnetického pole v plynu padajícím do černé díry. Stranou zájmu nezůstala ani obří černá díra ve středu galaxie M87, kde Chandra objevila tlakové, rázové i zvukové vlny, což pomohlo pochopit vývoj tohoto objektu.

Ale co je ještě významnější, právě Chandra má zásluhu na objevu prvního zástupce tzv. středních černých děr, objektů, které by měly mít hmotnost mezi hvězdnými černými dírami (jako vznikají po explozích supernov) a supermasivními černými dírami (jako je Sagittarius A*). Až do pozorování naší observatoře je však nikdo nikdy nedetekoval. To se poprvé podařilo v galaxii M82 v souhvězdí Velké medvědice ve vzdálenosti asi 10 milionů světelných let.

Bez zajímavosti nejsou ani pozorování v rámci naší Sluneční soustavy. Povedlo se například objasnit, že rentgenové záření emituje Jupiter z oblasti rovníku, nikoliv pólů, jak se dříve myslelo. Později Chandra viděla rovněž rentgenovou emisi z Pluta, což bylo vůbec první pozorování rentgenového záření z objektu Kuiperova pásu. Naposledy změřila i rentgenové záření u Uranu, ačkoliv zde není objev ještě zela spolehlivě potvrzen. Se Sluneční soustavou souvisí i pozorování rentgenového stínu měsíce Titanu při průchodu Krabí mlhovinou, nebo studium hnědého trpaslíka obíhajícího hvězdu velmi podobnou našemu Slunci.

Někdy však Chandra hledí naopak do velmi vzdáleného vesmíru. Podařilo se jí například poprvé spojit emisní spektrální čáry rentgenového záření s konkrétním gama zábleskem. Sledovala i slučování několika kup či nadkup galaxií, u několika z nich se podílela na klíčových měřeních, které dosti jasně prokazují přítomnost temné hmoty v takovýchto systémech. Nejznámějším podobným příkladem je tzv. Bullet Cluster, o němž jsme zde už v několika článcích hovořili. Zde kromě důkazu temné hmoty přinesla i poznatky o tom, zda a jak interagují částice temné hmoty samy se sebou. Za zmínku stojí i měření Hubbleova parametru rychlosti kosmické expanze, který Chandra určila pomocí Sunjajevova-Zeldovičova jevu.

Některé objevy Chandry jsou prozatím ještě nepotvrzené, avšak o to zajímavější. Pokud by se potvrdily, znamenaly by opravdovou revoluci. Právě ty jsme si dnes nechali na konec. Možná si ještě vzpomenete na článek, který jsme věnovali možnému nálezu exoplanety ve vírové galaxii M51 vzdálené asi 28 milionů světelných let. Detekce byla uskutečněna pomocí metody tzv. zákrytu rentgenového záření. Mělo by jít o planetu o velikosti Saturnu v binárním systému hmotné hvězdy a černé díry či neutronové hvězdy. Výsledek vypadá poměrně důvěryhodně, ověřit jej však bude možné až za několik desítek let, až se zopakuje rozmístění objektů a potenciální planety v dané oblasti. To už však pravděpodobně bude úkol pro úplně jinou rentgenovou observatoř než je Chandra.

Druhý spekulativní objev se týká objektů RX J1856.5−3754 a 3C58. Nezapamatovatelné názvy, avšak fyzikálně mimořádně zajímavá tělesa. Astrofyzikové mají za to, že se jedná o pulsary, rychle rotující neutronové hvězdy, zbytky po výbuších supernov. Data z Chandry však ukazují, že by mohlo jít o ještě podivnější objekty, tzv. kvarkové hvězdy. To jsou hypotetické hvězdy s tak obrovskou teplotou a tlakem, že se v nich nachází kvarková hmota složená z volných kvarků. U výše zmíněných objektů se zdálo, že jeden je na běžnou neutronovou hvězdu moc malý, druhý zase moc chladný. Návrh se ovšem setkal se značnou skepsí odborné komunity. Mezitím se objevily některé další objekty navrhované na kvarkové hvězdy. Dosud se ovšem nikdy nepodařilo reálnou existenci kvarkové hvězdy potvrdit.

Závěr

Dnešní výroční článek připomínající legendární rentgenovou observatoř Chandra je u konce. Co však doufejme u konce není je činnost tohoto významného přístroje, který už vědecké komunitě přinesl mnoho dobrého. Věřme, že se zde někdy v budoucnu znovu sejdeme u článku pojednávajícím o dalším zajímavém pozorování teleskopu Chandra.

Použité a doporučené zdroje

• Chandra Harvard: https://chandra.harvard.edu/
• Chandra NASA: https://www.nasa.gov/mission/chandra-x-ray-observatory/

Zdroje obrázků

• https://astrobiology.nasa.gov/uploads/filer_public_thumbnails/filer_public/e8/fc/e8fc19cf-3783-4c7c-b6c6-2d756448ced3/chandra_hero.jpg__1240x510_q85_crop_subject_location-620%2C254_subsampling-2.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/71/Roentgen2.jpg/800px-Roentgen2.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Bruno_B_Rossi.jpg
• https://www.eso.org/public/archives/images/original/dg-ricardo_giacconi-cc.tif
• https://ids.si.edu/ids/deliveryService?id=NPG-9300260C_1
• https://chandra.harvard.edu/graphics/resources/illustrations/launch/99pasparklers-72.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/Chandra_X-ray_space_observatory_Obs_assemb2_300.jpg
• https://pweb.cfa.harvard.edu/sites/default/files/styles/max_650x650/public/2019-06/Lynx-Telescope.jpg?itok=H8mLW1qY
• https://chandra.harvard.edu/graphics/resources/illustrations/mirrorcompQ-720.jpg
• https://chandra.harvard.edu/graphics/resources/illustrations/lightpathQ202.jpg
• https://www.astro.sunysb.edu/fwalter/AST443/images/wolter.gif
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1c/STS-93_Deployment_of_Chandra_%28deploy1%29.jpg
• https://en.wikipedia.org/wiki/Chandra_X-ray_Observatory
• https://www.researchgate.net/profile/Ronald-Elsner-2/publication/2221709/figure/fig1/AS:668912341495819@1536492538667/The-Chandra-spacecraft-and-components-showing-the-FCC-on-the-front-of-the-HRMA-FCM.png
• https://chandra.harvard.edu/photo/2018/crab/crab_w22.jpg
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width_feature/public/casa.jpg
• https://chandra.harvard.edu/photo/2010/m82/m82.jpg
• https://chandra.harvard.edu/photo/2013/sgra/sgra_xray.jpg
• https://www.extremetech.com/wp-content/uploads/2020/09/m51b.jpg