Rentgenová astronomie – 2. díl – Uhuru a ti před ní

Znáte tu stupnici? Jde to, jde to blbě, nejde to. Pro pozorování rentgenového záření z vesmíru bez použití kosmických sond platí druhý stupeň: sice to jde, ale o detailnějším průzkumu nemůže být řeč. Rentgenové paprsky totiž zemskou atmosférou neprocházejí. Jakkoli většina populace tento fakt považuje za šťastný, astronomové naše nadšení tak úplně nesdílejí, jelikož díky tomu jim rentgenové pozorování přináší zásadní obtíže.

Jak jsem zmínil v úvodním dílu seriálu o rentgenové astronomii, dnes se budeme věnovat poinýrským dobám rentgenového pozorování a prvnímu rentgenovému satelitu Uhuru. Zajímavostí této dřevní epochy je, že zpočátku jen malá část vědců připouštěla možnost smysluplné detekce rentgenových paprsků ze vzdáleného vesmíru. A to dokonce i přes to, že existence rentgenového záření slunce tou dobou již byla známa, o to se zasloužil Herbert Friedman v roce 1949 s využitím německé rakety V2 osazené Geiger-Müllerovým počítačem.

Schéma rozmístění proporcionálních komor v Aerobee.
Zdroj: http://cts.iisc.ernet.in

V „předkosmické“ éře rentgenového pozorování se pro dosažení potřebné výšky používaly speciální sondážní rakety, výjimečně pak balóny , zmíněná V2 se k těmto účelům ukázala jako nevhodná, hlavně pro svou váhu a složitost. Riccardo Giacconi se za použití sondážní rakety Aerobee v červu 1962 zasloužil o objev prvního rentgenového zdroje mimo Sluneční soustavu, byl jím dnes legendární Sco X-1. Přístroje umístěné na Aerobee sice byly původně navrženy pro pokus k pozorování fluorescenčního rentgenového záření z Měsíce, to se však podařilo až mnohem později německé sondě Rosat. Další start proběhl v říjnu 1962, kdy Sco X-1 nebyl pozorován, protože se nacházel pod obzorem. Třetí pokus v červnu 1963 pak potvrdil výsledky z června 1962. Ačkoli detektory na Aerobee nebyly vybaveny kolimátory pro omezení zorného pole, což znemožnilo určení velikosti a pozice zdroje, důležité bylo, že se jednalo o příslib smysluplnosti rentgenového pozorování oblohy. Riccardo Giacconi byl asi nejvýraznější osobností pionýrského období v oboru, kromě experimentů s raketami Aerobee spolu se svým krajanem Brunem Rossim navrhl konstrukci rentgenového teleskopu vycházející ze zkušeností s rentgenovými mikroskopy. Jednalo se optiku tečného dopadu o níž bude řeč v některém z příštích dílů. Podílel se také na vypuštění sondy Uhuru.

Balóny mají oproti raketám nevýhodu v nižší dosažitelné výšce, na druhou stranu umožňují delší pozorování. Díky balónovému pozorování se podařilo první přímé změření magnetické indukce hvězdy, jednalo se o zdroj Her X-1.

Na slunce s dírkovou komorou

První rentgenový snímek naší nejbližší hvězdy pořízen dírkovou komorou.
Zdroj: http://www.cosmosportal.org

První rentgenový snímek našeho slunce byl pořízen velice jednoduchým zařízením zvaným dírková komora, ovšem samozřejmě v provedení optimalizovaném pro tento účel. Byla umístěna na hojně využívané sondážní raketě Aerobee, ke startu došlo dne 19. dubna 1960 v 7:30. Zasloužil se o to tým vedený Richardem L. Blakem z Naval Research Laboratory. Při pohledu na snímek zjistíte, že neobsahuje nijak oslnivé detaily, dokonce je rozmazaný stabilizační rotací rakety. Nicméně první zobrazení rentgenového záření sluneční koróny bylo na světě.

Zde >> se můžete vždy podívat na aktuální podobu Slunce. Rentgenový snímek je ten zelený, jedná se o měkké rentgenové záření o vlnové délce 9,4 nm.

Uhuru – první rentgenová vlaštovka

Po předchozích experimentech bylo zjevné, že kosmické sondy mají v tomto oboru své opodstatnění.

Schéma sondy Uhuru.
Zdroj: http://www.sonic.net

Kosmickou éru rentgenové astronomie odstartovala sonda Uhuru. Na oběžnou dráhu s apogeem 560 km, perigeem 520 km a oběžnou dobou 96 minut byla Uhuru vynesena raketou Scout z mořské plošiny u pobřeží Keni. Stalo se tak 12. prosince 1970 na den nezávislosti Keni, odtud její jméno – „Uhuru“ znamená ve svahilštině „svoboda“.

Uhuru byla vybavena dvěma na opačné strany orientovanými sadami proporcionálních komor schopných detekovat záření o energiích 2-20 keV se zorným polem 0,5 a 5,0 stupňů a celkovou sběrnou plochou 700 cm². To zároveň s pomalou rotací sondy časem zajistilo pokrytí celé oblohy.

Hlavním výsledkem činnosti sondy byla první rentgenová mapa hvězdné oblohy. Na této mapě bylo zaznamenáno 339 rentgenových zdrojů. Ztotožnění některých z nich s optickými zdroji ukázalo, že kromě zbytků po výbuších supernov mohou rentgenové záření emitovat také dvojhvězdy, kde jednou ze složek je neutronová hvězda nebo černá díra.

Mimoto sonda určila rotační periody některých neutronových hvězd, zákrytové periody některých binárních systémů, na základě její činnosti byla publikována spousta původních vědeckých článků.

První rentgenová mapa oblohy
Zdroj: http://history.nasa.gov

Za pozornost v dnešním dílu stojí použití z dnešního pohledu možná neuvěřitelně primitivních technologií, což ovšem nijak nebránilo dosahování hodnotných vědeckých výsledků. Vždyť dírkovou komoru nebo mřížkový kolimátor pro optické spektrum si může každý sestrojit z obyčejného papíru. Celá věc je samozřejmě dána také tím, že rentgenové spektrum bylo do té doby pole neorané, takže všechny objevy na své objevitele čekaly s otevřenou náručí. Jistě není bez zajímavosti, že například zmíněná dírková komora se používá dodnes. Má nezastupitelné místo při sledování záření o energiích od několika desítek až po stovky keV, pro tyto energie jinou zobrazovací technologií nedisponujeme.

A co nás čeká v příštím dílu? Těšte se na podrobnosti o projektu HEAO, jehož součástí je první přístroj se skutečnou rentgenovou optikou, observatoř Einstein.

Slovníček některých termínů:

Schéma funkce mřížkového kolimátoru.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org

Kolimátor je zařízení usměrňující světelné paprsky do rovnoběžného svazku. Rentgenový kolimátor je pak velice jednoduché zařízení tvořené pouze soustavou rovnoběžných štěrbin, jimiž projde pouze záření z jednoho směru, ostatní paprsky jsou prostě odstíněny.

Proporcionální komora funguje v zásadě podobně jako Geiger – Müllerův počítač. Konstrukčně je tvořena válcovou katodou a drátkem-anodou v ose válce, válec katody je pak naplněn vhodným plynem, na elektrodách komory je připojeno vysoké napětí. Při průchodu vysokoenergetického záření dochází k ionizaci atomu plynu, při ní uvolněný elektron je urychlován elektrickým polem mezi elektrodami natolik, že ionizuje další atomy, tím vzniká sprška elektronů, jejíž velikost je přímo úměrná energii částice. Vzniklé elektrony zapříčiní průchod elektrického proudu mezi elektrodami, přitom velikost tohoto proudu samozřejmě závisí na počtu elektronů ve spršce; odečtením hodnoty proudu se tak můžeme dobrat energie zachyceného záření. Geiger – Müllerův počítač pracuje podobně, ale s vyšším napětím, má proto sice větší citlivost, ale neumožňuje zjišťovat energii zachyceného záření.

Start rakety Aerobee
Zdroj: http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov

Raketu Aerobee vytvořil James Van Allen (ano ten Van Allen, jehož jméno je spojeno s Van Allenovými radiačními pásy) spojením malé rakety Aerojet a střely Bumblebee používané americkým námořnictvem. Van Allen navrhl spojení raketového stupně Aerojetu s druhým stupněm střely Bumblebee.
Rakety Aerobee startovaly z 53 metrů vysokých věží; tyto věže zajišťovaly stabilitu těsně po startu, než raketa získála potřebnou rychlost, aby se projevil vliv stabilizačních ploch. Raketa Aerobee unesla 68 kg nákladu do výšky 130 km.

Sco X-1 je vyjma Slunce nejsilnější rentgenový zdroj pozemské oblohy; jedná se o tzv. LMXB (Low-mass X-ray binary) systém, to znamená, že se jedná o dvojhvězdu, v níž aktivní složka má menší hmotnost než pasivní člen páru, jímž je typicky zhroucená neutronová hvězda nebo černá díra (v tomto případě jde o neutronovou hvězdu). Zhroucená hvězda díky své gravitaci ze svého průvodce odčerpává hmotu, tato hmota kolem ní vytváří v rovníkové rovině diskovitý vír (podobně jako odtékající voda ve vaně), kterému se říká akreční disk. Hmota v akrečním disku proudí na povrch příjemce, při tom nabírá rychlost, aby těsně před pádem na povrch nebo za Schwarzschildův poloměr v případě černé díry dosáhla relativistických rychlostí. Při tom se jednotlivé různě rychlé vrstvy vzájemným pohybem zahřívají na tak vysoké teploty, že vyzařují v rentgenovém oboru.