V minulém díle našeho seriálu TOP 5 jsme probírali nejzásadnější objevy Spitzerova vesmírného dalekohledu pracujícího v infračervené oblasti. A že jich bylo. Dnes se přesuneme z infračervené oblasti do oblasti vysoce energetického záření gama. Zůstaneme však u velkých observatoří NASA z přelomu 80. a 90. let, podíváme se totiž na Comptonovu gama observatoř. Ta startovala v roce 1991 na americkém raketoplánu Atlantis při misi STS-37, jako druhá ze čtyř velkých observatoří NASA. Předběhl ji pouze Hubbleův kosmický dalekohled. Observatoř Compton je dodnes jedním z nejtěžších nákladů, který kdy byl vynesen v celku do kosmického prostoru. A přestože už před ní některé přístroje zaměřené na vysokoenergetickou fyziku v kosmu působily, Compton svými výsledky jasně vyniká. Pojďme se tedy dnes aspoň na ty nejdůležitější podívat.

5) Blazary

Skutečnost, že vůbec existují cizí galaxie jako takové známe od 20. let minulého století. V 60. letech se potom britským astronomům pracujícím s radioteleskopy na slavné a staré univerzitě v Cambridge podařilo identifikovat první aktivní galaxie, kvasary. Konkrétně jde o objekty 3C 48 a 3C 273. Tyto objekty připomínaly hvězdy a až později se podařilo zjistit, že jde ve skutečnosti o extrémně vzdálené zdroje, které jsou však mimořádně jasné. Dokonce šlo tehdy o nejvzdálenější objevené objekty v celém vesmíru. Dnes víme, že jde o jádra cizích galaxií. V jejich samotném středu je supermasivní černá díra, která nasává okolní hmotu rozprostřenou v akrečním disku kolem. Při tom dochází k fyzikálním procesům uvolňujícím značné množství energie.

Nešlo ale jen o kvasary 3C 48 a 3C 273. Jen o něco málo později, v rámci stejného přehlídkového projektu, objevili odborníci i kvasar 3C 279, který je od nás asi 5 miliard světelných let a to ve směru souhvězdí Panny. Astronomům by snad se mohlo zdát, že jde o vcelku nudný objekt (aspoň tak, jak kvasar může být nudný), kvasar jako jiný. Ale chyba lávky. Hned pár týdnů po svém startu v roce 1991 objevila Comptonova observatoř, že je kvasar 3C 279 silným zdrojem gama záření. Dokonce tak silným, že šlo o nejjasnější objekt na gama obloze. To vědce poněkud překvapilo, neboť se do té doby zdálo, že gama záření ve větší míře uvolňuje pouze kvasar jeden z prvních objevených kvasarů 3C 273.

Díky objevu gama záření u 3C 279 si Comptonova gama observatoř mohla přidat do své sbírky další cenný skalp. Povedlo se jí objevit nový typ aktivní galaxie nebo chcete-li nový druh aktivního galaktického jádra. 3C 279 se stal totiž prototypem tzv. gama blazarů. Jedná se o blazary (aktivní galaxie mířící své relativistické výtrysky směrem k Zemi), které produkují relevantní množství gama záření. Později bylo podobných objektů objeveno více, takže dnes tvoří celou vlastní kategorii aktivních jader. Sám 3C 279 byl později logicky podrobně zkoumán a to například gama observatoří Fermi. V nedávné době se pak proslavil zejména jako cíl kolaborace radioteleskopů Event Horizon Telescope, kdy sloužil jako kalibrační zdroj před snímkováním galaxie M87.

4) Radioaktivní izotopy v Mléčné dráze

Z radioaktivity má řada lidí obrovský strach, faktem však je, že nám mohou být radioaktivní látky i velmi užitečné. Chemických prvků jejichž izotopy vykazují radioaktivitu známe celou řadu a mnoho z nich i využíváme, například v jaderné energetice (uran, plutonium), v lékařství (uhlík, kyslík…) či v metodách datování, pomocí nichž určujeme stáří daných objektů či jevů. Pro krátké úseky používáme obvykle uhlík ¹⁴C, pro delší časové intervaly pak například draslík ⁴⁰K či uran ²³⁸U. Ukazuje se však, že v raném vývoji Sluneční soustavy mohly hrát zcela klíčovou roli i jiné radioaktivní prvky s mnohem kratším poločasem přeměny, které mohly přispět k roztavení planetesimál či ovlivnit vzhled a pohyb menších těles našeho systému.

Konkrétně jde především o některé izotopy titanu a hliníku, nejvíce pak hliník ²⁶Al. Protože je právě tento prvek důležitý při výzkumu rané fáze vývoje Sluneční soustavy, věnuje se mu nemalá pozornost. Poločas přeměny má však jen asi 717 000 roků, čili se žádný původní ²⁶Al nezachoval. Příležitostně však může vznikat působením kosmického záření či při explozích supernov ve vzdálených částech galaxie. A protože se na povrchu Země a v nižších vrstvách atmosféry ²⁶Al přirozeně nevyskytuje, poskytuje nám to unikátní možnost stanovit stáří meteoritu, které na Zemi spadly právě podle množství hliníku ²⁶Al, které ve vzorku najdeme. Takto byla prozkoumána řada meteoritů a prokázalo se, že v rané Sluneční soustavě byl ²⁶Al mnohem hojnější.

V Mléčné dráze vzniká ²⁶Al především při výbuších supernov. Tyto extrémně energetické exploze dokáží vytvořit vhodné podmínky pro fúzi i velmi těžkých prvků, které potom ve velkém vyvrhují do okolí. Vůbec poprvé dokázala identifikovat kosmický ²⁶Al observatoř HEAO-3, na niž posléze navázala právě observatoř Compton. A nejen navázala, ale především starší měření značně vylepšila. Dokázala totiž vytvořit podrobnou mapu rozložení radioaktivních izotopů, zejména právě ²⁶Al v Mléčné dráze. Tento její objev je důležitý pro lepší pochopení našeho původu, díky němu známe lépe vývoj rané Sluneční soustavy a to, jaké radioaktivní izotopy měly vliv na tání těles v rané fázi jejího vývoje. Současně to vedlo též k dokonalejšímu porozumění supernovám.

3) Původ gama záblesků

O objevu vysoce energetických událostí, gama záblesků, jsme tady mluvili už mnohokrát. Tedy jen krátce, tento fenomén byl objeven koncem 60. let a po uveřejnění vědecké práce na počátku 70. let začal být předmětem intenzivního zájmu astrofyziků. Ti si dlouho nevěděli rady s tím, odkud vlastně gama záblesky pocházejí. Bylo jasné, že jde o mimořádně energetické události s velkou jasností. Vůbec si ale nebyli jisti tím, kde k jejich vzplanutí vlastně dochází. Mohli vyloučit jen Sluneční soustavu a její nejbližší okolí. Zda však pocházejí z naší Galaxie či naopak ze vzdálenějšího vesmíru bylo dlouho zahaleno tajemstvím. V 70. a 80. letech převládala spíše první hypotéza, očekával se tedy původ v Mléčné dráze.

Potom se však do kosmu dostala observatoř Compton a její detektor Burst and Transient Source Experiment (BATSE) vyvinutý v Marshallově středisku NASA ve státu Alabama, který začal gama záblesky na obloze intenzivně hledat. Lov probíhal na energetické hladině 20 až 600 keV. Compton měla sice i další přístroje, ale BATSE byl pro studium gama záblesků nejzásadnější, protože byl pro tento úkol přímo navržen. Sbíral gama fotony z celé oblohy a po celou dobu činnosti observatoře dokázal detekovat přibližně jeden gama záblesk denně. To bylo na tu dobu nevídané. Statistika tvořící před startem Comptonu několik pozorování provedených jinými observatořemi náhle díky BATSE narostla na téměř 3000 událostí.

Díky tou bylo možné zjistit, zda rozložení gama záblesků na obloze sleduje nějakou jasnou závislost. Pokud by totiž byly gama záblesky tvořeny událostmi v naší Galaxie, měly by se zdroje gama záblesků nejvíce soustředit do oblasti galaktického disku. Jde o onu Mléčnou dráhu, kterou vidíme na obloze, pokud je dobrá viditelnost a jsme mimo oblasti světelného znečištění. Jenomže takovýto jasný vzor pozorován nebyl. Právě naopak. Mapa více než 2700 gama záblesků získaná detektorem BATSE ukazuje poměrně jasně, že jsou tyto zdroje rozloženy na obloze v podstatě homogenně, bez jakéhokoliv náznaku pravidelného vzoru. To jednoznačně dokládá, že gama záblesky nejsou události odehrávající se v Mléčné dráze, ale v dalekém vesmíru.

2) Dělení gama záblesků

Když jsme v roce 1967 pozorovali první gama záblesk a naměřili jeho světelnou křivku (ke zveřejnění došlo až v roce 1973, výzkum byl proveden v rámci armádního projektu), mohli jsme si myslet, že všechny gama záblesky vypadají podobně a rovněž průběh jejich světelné křivky bude vždy téměř stejný. Ale to by byl opravdu velký omyl. Brzy se totiž ukázalo, že v podstatě každý nový gama záblesk se liší od těch předchozích. Podobně jako na světě nejsou dva lidé se zcela stejnými otisky prstů, nebo jako nemají žádné dva chemické prvky stejné spektrum, tak i každá světelná křivka každého gama záblesku je v zásadě originál. Na tomto tvrzení nic nezměnily ani nejnovější výzkumy.

Přesto se však ukázalo, že i mezi takto pestrou paletou signálů z gama záblesků můžeme najít jistý vzor a podle něj známé zdroje rozdělit. Povedlo se zjistit, že délka různých události se dost zásadně liší. Některé gama záblesky trvají pouze krátké zlomky sekund. Jiné naopak desítky sekund. Proto se vědci rozhodli stanovit jako dělící linii délku dvou sekund. Záblesky pod touto hranicí se označují jako krátké, záblesky nad touto hranicí jako dlouhé. Jejich rozdělení umožnilo zvýšení statistiky událostí v 90. letech minulého století. Stojí za ním hned několik kosmických observatoří, ale nejdůležitější práci odvedla právě Comptonova gama observatoř, z jejíchž výsledků vědci ještě dlouho čerpali klíčová data.

Následně se ukázalo (mimo jiné také díky velké statistice Comptonova teleskopu), že krátké gama záblesky tvoří asi 30 % ze všech gama záblesků, zatímco dlouhé zbylých 70 %. A byly to právě dlouhé záblesky u nichž se podařilo zjistit, že jsou způsobeny mohutnými explozemi velmi hmotných hvězd, tzv. hypernov neboli kolapsarů. U krátkých záblesků jsme čekali na vysvětlení jejich mechanismu trochu déle, ale v minulém desetiletí se potvrdilo, že tyto události vznikají v kompaktních binárních systémech a to při srážce obou složek, obvykle neutronových hvězd. V poslední době se ještě ukazuje, že by možná mohlo být užitečné vydělit třetí kategorii ultra dlouhých gama záblesků delších než 10 000 sekund, ale zde si musíme na výsledky ještě počkat.

Čestné zmínky

Na všechny objevy se pochopitelně dostat nemohlo. Opomenuli jsme tak soft gamma repeaters, neboli měkké opakovače gama záření. Jde o jediné zdroje gama záblesků v naší Mléčné dráze. V roce 1998 objevil Compton nový zdroj a několik starších pozoroval. I na základě těchto informací se později podařilo astronomům určit, že objekty soft gamma repeater výborně vysvětlují magnetary, velmi zvláštní forma neutronových hvězd s extrémně silným magnetickým polem. Dále Compton v centrální galaktické výduti objevil masivní proudy antihmoty, především pozitronů, antičástic elektronů. Ty sahají až 3500 světelných let daleko a obsahují obrovské množství částic. Původ těchto proudů antihmoty nebyl dodnes zcela uspokojivě vysvětlen.

1) Pozemské zdroje gama záření

Při vypuštění asi očekávali vědci projektu Comptonovy gama observatoře ledacos, ale to co přišlo 1994 si patrně nedokázali představit ani v nejdivočejších snech. Detektor Burst and Transient Source Experiment (BATSE) totiž nalezl mimořádně pozoruhodný gama záblesk. Po podrobném prozkoumání nemohlo být pochyb. Onen jasný zdroj gama záření pocházel ze Země, přesněji řečeno ze zemské atmosféry. Těmto událostem se následně začalo říkat pozemské gama záblesky, neboli anglicky terrestrial gamma-ray flash (TGF). Tyto pozemské gama záblesky trvají 0,2 až 3,5 milisekund a uvolňují energii až 20 MeV. A to je poměrně hodně. Takto energetické zdroje gama záření pocházející z naší planety fyzikové nečekali.

Až do konce činnosti Comptonovy observatoře se pak podařilo detekovat ještě 76 pozemských gama záblesků. To je poměrně málo, ale je to dáno tím, že detektor BATSE byl z pochopitelných důvodů konstruován pro detekci kosmických zdrojů gama záření, které obvykle trvají přece jen o něco málo déle. Později výrazně zvýšily statistiku pozemských gama záblesků další kosmické družice a observatoře. A to například americká Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), která měřila dokonce záblesky s výrazně vyšší energií než původně Compton. Další americká družice pozorující pozemské zdroje gama záření byla observatoř Fermi. S její pomocí vědci odhadli, že se na Zemi každý den odehraje až asi 500 podobných událostí.

A co že ony pozemské zdroje gama záření jsou? Přesný fyzikální mechanismus vzniku zůstává dodnes neznámý. Známe však celou řadu různých extrémních projevů počasí na povrchu a v atmosféře Země. Vědci tak mohli postupovat vylučovací metodou a brzy se dostavily první výsledky. V roce 1996, tedy dva roky po objevu, dokázali fyzikové z kalifornské Stanfordovy univerzity spojit pozemské gama záblesky s bouřemi, přesněji s údery konkrétních blesků. Obecně se má za to, že jsou tyto události způsobeny intenzivními elektrickými poli, k jejichž produkci dochází nad bouřkovými oblaky nebo uvnitř nich. Jak přesně se to děje nevíme, existuje ale několik nadějných hypotéz. Možná je také souvislost s kosmickým zářením.

Závěr

V příštím dílu našeho letního seriálu TOP 5 se podíváme do světa exoplanet, konkrétně na nejvýznamnější teleskop této oblasti Kepler. A probereme si jeho nejdůležitější objevy.

Použité a doporučené zdroje

• NASA Compton: https://web.archive.org/web/19961209190738/http://cossc.gsfc.nasa.gov/
• Compton Gallery: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/images/epo/gallery/cgro/

Zdroje obrázků

• https://astrobiology.nasa.gov/uploads/filer_public_thumbnails/filer_public/21/99/21993579-5595-4576-a10d-12a778a8ee0d/compton_on_rms_sts037-99-056.jpg__1240x510_q85_crop_subject_location-620%2C254_subsampling-2.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7b/Best_image_of_bright_quasar_3C_273_%2810953173335%29.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7b/Gamma-Ray_Quasar_3C_279.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bc/3C_279_source.jpg
• http://atominfo.cz/wp-content/uploads/2012/08/plutonium_peletka.jpg
• https://www.widerangemetals.com/wp-content/uploads/2021/02/Aluminium-Metal-Atomized-Granules-Min-99.7-0.800-mm-%E2%80%93-3.000-mm-Particle-Size-scaled.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d1/COMPTEL_26Al_galaxy.jpg
• https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/hires/2023/the-brightest-explosio.jpg
• https://cass.ucsd.edu/hexte/batse/batsefig_sm.gif
• https://asd.gsfc.nasa.gov/blueshift/wp-content/uploads/2016/04/batse_grbs_2160_0.jpg
• https://apod.nasa.gov/htmltest/jbonnell/www/firstburst.gif
• https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/images/burst_durations_labelled.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ef/GRB_BATSE_12lightcurves.png
• https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/2021/magnetarsgrj.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Ziad-Saleh-2/publication/240488594/figure/fig2/AS:669329431465988@1536591980254/CGRO-BATSE-terrestrial-gamma-ray-flash-TGF-event-106-showing-counts-100-ms-for.png
• https://www.mdpi.com/remotesensing/remotesensing-13-00784/article_deploy/html/images/remotesensing-13-00784-g001.png
• https://scool.larc.nasa.gov/images/Cb10.jpg