Wszechświat w promieniach gamma najwyższych energii
WYDZIAŁ FIZYKI, ASTRONOMII I INFORMATYK I STOSOWANEJ
OBSERWATORIUM ASTRONOMICZNE
Astrofizycy z Obserwatorium Astronomicznego UJ prowadzą badania wszechświata analizowanego w szerokim zakresie fal elektromagnetycznych, poczynając od fal radiowych aż po średnio- i wysokoenergetyczne promieniowanie gamma.
W ramach międzynarodowego projektu „High Energy Stereoscopic System" (H.E.S.S. – www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/) naukowcy z UJ analizują wysokoenergetyczne promieniowanie gamma ze źródeł kosmicznych. UJ jest też liderem polskiego konsorcjum dziewięciu instytucji naukowych uczestniczących w pracach konstrukcyjnych nowego obserwatorium Cherenkov Telescope Array (CTA – www.cta-observatory.org). Oba projekty są czołowymi przedsięwzięciami w tej dziedzinie badań na świecie.
Promieniowanie gamma kojarzy się zwykle z promieniotwórczością naturalną lub z efektami wybuchów bomb atomowych. Mierzący energię takiego promieniowania fizycy otrzymują wartości rzędu milionów elektronowoltów (MeV), czyli około miliona razy większe niż energie promieniowania widzialnego. W opisanych tu badaniach wysokoenergetycznego promieniowania gamma astrofizycy obserwują energie miliony razy większe, wielokrotnie przewyższające nawet te osiągane w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych). Dowodzi to, że kosmiczne akceleratory potrafią być znacznie potężniejsze od ziemskich.
Obserwatorium H.E.S.S. z nowo uruchomionym olbrzymim teleskopem
H.E.S.S. pokazuje kosmos nieznany
Do badania promieniowania pochodzącego z takich kosmicznych akceleratorów nie wykorzystuje się zwykłych teleskopów, gdyż pomiary te wymagają technik opracowanych specjalnie dla fizyki wysokich energii. W dodatku strumienie analizowanych tu wysokoenergetycznych fotonów, czyli porcji promieniowania elektromagnetycznego, są niewielkie – satelitarny teleskop gamma o średnicy jednego metra dostrzegłby zaledwie pojedyncze fotony w ciągu roku obserwacji. To o wiele za mało dla badaczy i dlatego astronomia gamma korzysta z techniki, która jako detektor fotonów gamma wykorzystuje atmosferę ponad teleskopem optycznym umieszczonym na Ziemi. Wpadające z kosmosu fotony gamma zderzają się z atomami powietrza i wytwarzają kaskady elektronów (i ich antycząstek – pozytronów), które pędząc w powietrzu szybciej od światła emitują tzw. promieniowanie Czerenkowa. Może ono być obserwowane przez naziemne teleskopy jako niebieskie światło, a całe zjawisko wygląda niczym ślady meteorów. Z takich obserwacji można wyznaczyć energię oraz kierunek rejestrowanego fotonu gamma.
„W międzynarodowym obserwatorium H.E.S.S. mamy w sumie pięć teleskopów: cztery o średnicach zwierciadła około 13 metrów i jeden – największy pracujący w zakresie optycznym teleskop na Ziemi – o rozmiarze zwierciadła 28 metrów. Obserwatorium umiejscowiono w Namibii, gdyż z południowej półkuli Ziemi najlepiej widoczne jest zgromadzenie wysokoenergetycznych obiektów w sąsiedztwie centrum naszej Galaktyki. Skalę postępu prowadzonych badań pokazuje fakt, że do końca ubiegłego wieku znanych było tylko siedem źródeł tak wysokoenergetycznego promieniowania gamma, podczas gdy dzisiaj jest ich już około 150, a większość stanowią nasze odkrycia" – tłumaczy prof. Michał Ostrowski z Obserwatorium Astronomicznego UJ.
W ramach prac w projekcie H.E.S.S. astrofizycy z UJ wykonują różnorodne analizy, na przykład przegląd płaszczyzny Galaktyki i badanie jej centrum. Są to ważne studia, gdyż w tym obszarze, widocznym na pogodnym niebie jako pas Drogi Mlecznej, odnajdujemy cały wachlarz rozmaitych obiektów astronomii gamma z gwiazdami neutronowymi, czarnymi dziurami czy rozprzestrzeniającymi się w gazie międzygwiazdowym pozostałościami po wybuchach gwiazd supernowych. Obserwacje ujawniły obecność kilkudziesięciu takich źródeł promieniowania gamma w Galaktyce, emitowanego także z okolic masywnej centralnej czarnej dziury w jej centrum, a z drugiej strony wykryły grupę źródeł promieniowania, których do tej pory nie udało się zidentyfikować.
Obserwacje pozostałości po wybuchach gwiazd supernowych pozwoliły opracować pierwszy – uzyskany dzięki znakomitej dla tego zakresu badań zdolności rozdzielczej – obraz struktury takiego źródła promieniowania gamma w obiekcie RX J1713.7-3946. Rozbłysk blazara (czyli pewnego rodzaju galaktyki aktywnej) PKS 2155-304 i związane z nim testowanie teorii kwantowej grawitacji, poszukiwanie sygnałów anihilacji cząstek ciemnej materii (hipotetycznego składnika wszechświata dominującego nad zwykłą materią) i kosmologiczny pomiar intensywności optycznego promieniowania tła są kolejnymi zagadnieniami, nad którymi pracują astrofizycy z Obserwatorium Astronomicznego UJ. Lista przytoczonych tu zagadnień to tylko kilka przykładów ze znacznie obszerniejszej całości, wśród których wyróżnia się główna „specjalność" krakowskiego zespołu z Zakładu Astrofizyki Wysokich Energii – studia nad procesami fizycznymi w aktywnych jądrach galaktyk.
Wszystkie wspomniane prace i odkrycia zostały dokonane z wykorzystaniem czterech mniejszych teleskopów H.E.S.S., ponieważ prace na największym – działającym od roku 2012 – dopiero się rozpoczynają, otwierając nowe możliwości badawcze.
Pozostałość po supernowej RX J1713.7-3946 – pierwsza „fotografia"
obiektu astronomicznego w promieniach gamma
Nowe teleskopy
Wyniki badań obecnie pracujących naziemnych obserwatoriów gamma stały się podstawą do rozpoczęcia przygotowań do budowy nowego i znacznie potężniejszego obserwatorium – Cherenkov Telescope Array (CTA). Na wniosek Niemiec, Francji i Polski projekt ten został wprowadzony na europejską „mapę" wielkich inwestycji badawczych ESFRI (Europejskie Forum Strategiczne Infrastruktur Badawczych).
Przygotowywane przedsięwzięcie ma obejmować dwa obserwatoria ulokowane na południowej i północnej półkuli Ziemi. W obejmującej 28 państw międzynarodowej współpracy CTA Polska zajmuje cały czas pozycję jednego z głównych partnerów, a w prowadzonych w kraju pracach konstrukcyjnych bierze udział dziewięć polskich instytucji naukowych z zaangażowaniem przeszło sześćdziesięciorga rodzimych naukowców oraz inżynierów. W ramach tego projektu w Obserwatorium Astronomicznym UJ prowadzone są prace nad stworzeniem cyfrowej elektroniki dla kamery do teleskopu Czerenkowa. Ta nowatorska konstrukcja przygotowywana jest we współpracy z zespołami z Niemiec i Szwajcarii.
Uniwersytet Jagielloński odgrywa w projekcie CTA rolę polskiego lidera i reprezentanta naszego kraju w międzynarodowej współpracy. Budowa CTA jest planowana na lata 2014–2020, a samo jego powstanie otworzy młodym astronomom i fizykom z Polski nowe możliwości prowadzenia unikalnych badań. Należy również wspomnieć, że zespół z Obserwatorium Astronomicznego UJ bierze udział w międzynarodowej współpracy H.E.S.S. już od ośmiu lat. W tym czasie stał się współautorem całej serii znaczących odkryć oraz ponad siedemdziesięciu publikacji wydanych w renomowanych czasopismach naukowych. Uzyskane w tych pracach wyniki są wysoko cenione w środowisku międzynarodowym, co podkreśla prestiżowa europejska nagroda Erasmus Research Prize za rok 2006 oraz przyznana w roku 2010 przez Amerykańskie Towarzystwo Astronomiczne nagroda Rossi Prize.