Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 41 – vyšlo 3. října, ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

41/2008

Čeští vědci se podíleli na objevu vesmírného objektu nového typu

Petr Sobotka

Tisková zpráva AU AVČR, v. v. i.

V prvním říjnovém čísle prestižního časopisu Nature vychází článek mezinárodního týmu vědců ze 13 zemí. Mezi nimi jsou také čtyři čeští vědci: Mgr. Martin Jelínek a Mgr. Petr Kubánek z Andaluského astronomického ústavu v Granadě (IAA CSIC, Španělsko), Ing. Stanislav Vítek z Elektrotechnické fakulty ČVUT a doc. RNDr. René Hudec, CSc., z Astronomického ústavu AV ČR, v. v. i. Článek popisuje nečekaný objev jasných optických záblesků vesmírného původu, souvisejících pravděpodobně s eruptivní aktivitou mladé neutronové hvězdy – magnetaru v naší Galaxii. Objev přednesl před třemi týdny doc. R. Hudec jménem celého týmu vedeného Dr. Albertem Castrem-Tiradem na mezinárodní konferenci v turecké Foce.

Neutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 MS (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 1017 kg m−3 dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století. Magnetar – neutronová hvězda s mimořádně silným magnetickým polem až 1012 T. Kůra je již nestabilní, praská, dochází k pravidelným magnetotřesením doprovázeným přepojením magnetických siločar a záblesky v retgenovém a měkkém gama oboru. První projevy magnetaru byly detekovány v roce 1979 (opakované záblesky gama neboli SGR). První magnetar detekovala v roce 1998 Chryssa Kouveliotou z Marshallova kosmického letového centra v NASA. Výjimečně mohou opakující se záblesky přejít v jeden mohutný, neopakovatelný záblesk. GRB – Gamma Ray Bursts, záblesky gama. Náhlá vzplanutí různé povahy v oboru gama. Dnes je jasné, že bude existovat více mechanizmů vzplanutí gama, která jsou pozorována jak v kosmologických vzdálenostech, tak přímo v naší Galaxii. K zábleskům gama dochází přibližně jednou denně a mají trvání od několika milisekund po několik stovek sekund. Může jít o vznik černé díry, splynutí dvou neutronových hvězd, procesy v aktivních jádrech galaxií nebo o další, dosud neznámé mechanizmy.

Jev, který se později ukázal natolik výjimečným, zaznamenala americká družice SWIFTSWIFT – The Swift Gamma-Ray Burst Explorer. Gama observatoř NASA, která byla vynesena na nízkou oběžnou dráhu 20. 11. 2004 pomocí nosné rakety DELTA 7320. Družice je především určena pro pozorování záblesků gama. Řádově sekundy po detekci záblesku je schopna předat data o poloze po­zem­ským observatořím, které mohou zkoumat dosvit záblesku a hledat případný optický protějšek. Hlavní přístroj BAT (Burst Alert Telescope) v oboru 15÷150 keV je doplněn RTG dalekohledem XRT (X-Ray Telescope) v oboru 0,3÷10 keV a UV/V dalekohledem UVOT (UV/Optical Telescope) v oboru 170÷650 nm. 10. června 2007 ve 22:52 h našeho času v souhvězdí Lištičky jako vcelku obvyklý 5 sekund dlouhý záblesk záření gama. To samo o sobě není nic neobvyklého, záblesků z vesmíru se detekuje několik týdně. Pozoruhodné chování tento vesmírný objekt ukázal až v následujících hodinách a dnech.

Vůbec první pozemní optická pozorování oblasti, kde se měl podle údajů z družice zdroj gama záření nalézat, pořídil 54 sekund po detekci družicí robotický dalekohled Watcher v Jihoafrické republice. Přes přímé spojení se systémem americké vesmírné agentury NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších., který distribuuje zprávy o detekovaných zábleskových zdrojích gama záření, obdržel informaci o záblesku 23 sekund po jeho detekci družicí. Pozorování tímto dalekohledem pak pokračovala několik dalších nocí. V průběhu třetí noci po detekci družicí SWIFTSWIFT – The Swift Gamma-Ray Burst Explorer. Gama observatoř NASA, která byla vynesena na nízkou oběžnou dráhu 20. 11. 2004 pomocí nosné rakety DELTA 7320. Družice je především určena pro pozorování záblesků gama. Řádově sekundy po detekci záblesku je schopna předat data o poloze po­zem­ským observatořím, které mohou zkoumat dosvit záblesku a hledat případný optický protějšek. Hlavní přístroj BAT (Burst Alert Telescope) v oboru 15÷150 keV je doplněn RTG dalekohledem XRT (X-Ray Telescope) v oboru 0,3÷10 keV a UV/V dalekohledem UVOT (UV/Optical Telescope) v oboru 170÷650 nm. pozoroval Watcher nečekaně krátké záblesky viditelného světla na místě optického protějšku jevu, které jsou projevem nečekané povahy objektu. Takové chování optického protějšku gama záblesku ještě nikdo nepozoroval.

Čeští vědci se podílejí na vývoji a provozování desítky inteligentních robotických dalekohledů v Čechách (BARTBART – Burst Alert Robotic Telescope, malý automatický dalekohled umístěný na Ondřejovské observatoři AVČR. Jeho cílem je nacházení optických protějšků gama záblesků nacházených družicemi INTEGRAL a HETE., ASÚ AV ČR, v. v. i.), ve Španělsku (BOOTES, španělsko-český experiment, kde spolupracují IAA CSIC Granada, ASÚ AV ČR, v. v. i., a FEL ČVUT), v Argentině (FRAMFRAM – Fotometric Robotic Atmospheric Monitor, malý robotický dalekohled vyvinutý v České republice. Průměr zrcadla má 20 cm, ohniskovou vzdálenost 3 m. V projektu Pierre Auger slouží k určování průzračnosti atmosféry pomocí měření jasností hvězd., kalibrační dalekohled pro AugerPierre Auger – dosud největší projekt pro sledování kosmického záření, pojmenovaný podle objevitele spršek kosmického záření. Observatoř tvoří celkem 24 fluorescenčních detektorů a 1 600 Čerenkovových detekčních stanic pokrývajících území 3 000 km². Jako vhodné místo byla zvolena Argentina, oblast Pampa Amarilla, což je polovyprahlá planina v blízkosti města Malaragüe. Do projektu, jehož realizace započala v roce 2005, je zapojena i Česká republika. Observatoř je v plném provozu od roku 2007. V původním projektu se uvažovalo i o observatoři na severní polokouli, ta se ale z finančních důvodů nerealizovala.), na Novém Zélandu (Španělský experiment BOOTES-3) a v Jihoafrické republice (Watcher). Watcher je irský dalekohled na observatoři Boyden poblíž města Bloemfontain v Jihoafrické republice, jehož vývoj a provoz probíhá ve spolupráci českých, španělských a irských astronomů. Systém řídí program RTS2 Mgr. P. Kubánka.

Robotický dalekohled Watcher.

Robotické dalekohledy významně prodloužily dobu, po kterou mohl být objekt pozorován. Na velkých dalekohledech se pozorovací čas pečlivě přiděluje jednotlivým týmům a získat ho není snadné. Získat několik dní pozorovacího času, navíc pro neznámý objekt, který pouze vykazuje nezvyklé chování, je pak skoro nemyslitelné.

Vědci odhadli vzdálenost objektu několika metodami, například pomocí zeslabení světla záblesku molekulovým oblakem. Výsledky výpočtů ukázaly, že gama záblesk nevyslal objekt ze vzdáleného vesmíru, jak to bývá obvyklé, ale že se zdroj nachází přímo v naší domovské Galaxii ve vzdálenosti asi 16 000 světelných rokůSvětelný rok (ly) – vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, 1 ly = 9,46×10¹² km..

V optickém oboru, tedy v tom, které vnímá lidské oko, se objekt označený jako J195509+261406 zjasnil a dal se v průběhu několika dní pozorovat jako velmi slabá hvězda nepravidelně vysílající silné záblesky světla. Poprvé se objekt zjasnil více než čtyřicetinásobně necelou hodinu po gama záblesku. Většina světelných pulzů trvala méně než 2 minuty, některé byly dokonce kratší než minutu. S něčím takovým se astronomové nikdy předtím nesetkali. Watcher pozoroval nejjasnější ze získaných zjasnění, při kterém se objekt zjasnil tisícinásobně a dosáhl čtrnácté hvězdné velikosti. Dramatické pulzující chování objekt vykazoval přibližně dva dny, pak aktivita i jasnost rychle slábly a po posledním detekovaném infračerveném záblesku 11 dní po erupci v gama oboru zmizel z dosahu i těch největších dalekohledů.

Obrázek ukazuje, jak se měnila jasnost magnetaru v optickém (horní graf) a rentgenovém (spodní graf) oboru. Vědci během několika dní napočítali přes 40 zjasnění, což je neobvyklý jev.

Záblesk záření gama, jak ho zaznamenávala družice SWIFT v průběhu 3,5 minut.

Obrázek ukazuje několik záblesků v období od 53 do 56 hodin po detekci družicí SWIFT. Během čtyř hodin došlo ke 13 zábleskům. Můžeme vidět, že jsou rozmístěny zcela nepravidelně a mají různou intenzitu.

Teoretické vysvětlení chování objektu je složité. Je možné, že gama záblesk z 10. června je jen jedním z mnoha zjasnění objektu. Vědci postupně diskutovali řadu možností, že se jedná o běžný gama záblesk, mikrokvasar, vybuchující pulzarPulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe., černou díruČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují., rentgenovou dvojhvězdu nebo jevy v akrečním disku. Jako nejpravděpodobnější se zdá, že opakované záblesky vznikly na izolovaném objektu, pravděpodobně magnetaruMagnetar – neutronová hvězda s mimořádně silným magnetickým polem až 10¹² T. Kůra je již nestabilní, praská, dochází k pravidelným magnetotřesením doprovázeným přepojením magnetických siločar a záblesky v retgenovém a měkkém gama oboru. První projevy magnetaru byly detekovány v roce 1979 (opakované záblesky gama neboli SGR). První magnetar detekovala v roce 1998 Chryssa Kouveliotou z Marshallova kosmického letového centra v NASA. Výjimečně mohou opakující se záblesky přejít v jeden mohutný, neopakovatelný záblesk..

Magnetary jsou neutronové hvězdyNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 M_S (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹⁷ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století. s magnetickým polem mnohonásobně silnějším než u běžných neutronových hvězd. Jsou to pozůstatky vzniklé po výbuchu extrémně hmotných hvězd, jako jsou supernovy. O magnetarech je známo, že v gama oboru dokáží vysílat opakované záblesky způsobené praskáním nestabilní kůry hvězdy. Při jediném takovém vzplanutí se uvolní stejně energie, jakou vydá naše SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. během deseti tisíc let. V tomto případě jde ale o velmi zvláštní magnetar, u kterého se tyto záblesky pozorují také v jiném oboru spektra, v optickém. Nikdy předtím se optické záblesky magnetaru pozorovat nepodařilo – a to byl první z nich objeven již v roce 1979.

Ilustrační obrázek magnetaru ukazuje neutronovou hvězdu
a siločáry magnetického pole. Zdroj: NASA

Ilustrační obrázek magnetaru ukazuje popraskaný povrch neutronové hvězdy
a plazmu pohybující se podél magnetických siločar. Zdroj: Scientific American.

V gama oboru skutečně družice SWIFTSWIFT – The Swift Gamma-Ray Burst Explorer. Gama observatoř NASA, která byla vynesena na nízkou oběžnou dráhu 20. 11. 2004 pomocí nosné rakety DELTA 7320. Družice je především určena pro pozorování záblesků gama. Řádově sekundy po detekci záblesku je schopna předat data o poloze po­zem­ským observatořím, které mohou zkoumat dosvit záblesku a hledat případný optický protějšek. Hlavní přístroj BAT (Burst Alert Telescope) v oboru 15÷150 keV je doplněn RTG dalekohledem XRT (X-Ray Telescope) v oboru 0,3÷10 keV a UV/V dalekohledem UVOT (UV/Optical Telescope) v oboru 170÷650 nm. zaznamenala jen jediný záblesk, zatímco v optickém oboru jich byly desítky. Objekt se měnil dosti výrazně, až o 7 magnitudMagnituda – někdy též zdánlivá magnituda, logaritmická míra jasnosti objektu, m = −2,5 log J. Tato definiční rovnice se nazývá Pogsonova rovnice (zavedl ji anglický astronom Norman Pogson v roce 1856). Koeficient je volen tak, aby hvězdy s rozdílem pěti magnitud měly podíl vzájemných jasností 1:100. Znaménko minus v definici je z historických důvodů. Magnitudy takto vypočtené odpovídají historickému dělení hvězd do šesti skupin (nula nejjasnější, 5 nejméně jasné pozorovatelné okem). Nejjasnější hvězda na severní polokouli Arcturus má magnitudu −0.05, nejjasnější hvězda celé noční oblohy, Sírius, má magnitudu –1.6. Relativní magnituda vypovídá o skutečné jasnosti hvězdy na obloze, která kromě svítivosti závisí také na vzdálenosti hvězdy. Rozlišujeme bolometrickou magnitudu (v celém spektru) a vizuální magnitudu (pouze ve viditelném spektru). na časových škálách od 20 sekund do 7 minut. Pokud jde opravdu o magnetarMagnetar – neutronová hvězda s mimořádně silným magnetickým polem až 10¹² T. Kůra je již nestabilní, praská, dochází k pravidelným magnetotřesením doprovázeným přepojením magnetických siločar a záblesky v retgenovém a měkkém gama oboru. První projevy magnetaru byly detekovány v roce 1979 (opakované záblesky gama neboli SGR). První magnetar detekovala v roce 1998 Chryssa Kouveliotou z Marshallova kosmického letového centra v NASA. Výjimečně mohou opakující se záblesky přejít v jeden mohutný, neopakovatelný záblesk., pak je prvním s takovým chováním, který ve vesmíru známe. Pro vědce tak vzniká nová třída vesmírných objektů projevujících se velmi zvláštním chováním ve viditelném světle. Možná jde o chybějící mezičlánek mezi magnetaryMagnetar – neutronová hvězda s mimořádně silným magnetickým polem až 10¹² T. Kůra je již nestabilní, praská, dochází k pravidelným magnetotřesením doprovázeným přepojením magnetických siločar a záblesky v retgenovém a měkkém gama oboru. První projevy magnetaru byly detekovány v roce 1979 (opakované záblesky gama neboli SGR). První magnetar detekovala v roce 1998 Chryssa Kouveliotou z Marshallova kosmického letového centra v NASA. Výjimečně mohou opakující se záblesky přejít v jeden mohutný, neopakovatelný záblesk. a osamocenými neutronovými hvězdamiNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 M_S (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹⁷ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století. – ale nelze ani vyloučit, že jde o zcela nový typ astrofyzikálních objektů.

Pozorování tohoto jevu zúročilo zkušenosti spoluautorů článku s návrhem, stavbou a provozováním robotických observatoří. Objev potvrzuje výhody plně autonomních systémů, které jsou schopné bez lidského zásahu pozorovat pozici kosmických gama záblesků desítky sekund až dnů po detekci družicí, a koncepci vývoje těchto systémů započatých již před lety ve skupině astrofyziky vysokých energií stelárního oddělení Astronomického ústavu AV ČR, v. v. i.

Poloha magnetaru v naší Galaxii.

Během záblesků se magnetar na snímcích stával nápadným objektem.
Mimo zjasnění byl naopak na hranici měřitelnosti.

Klip týdne: Magnetar

Magnetar. V animaci vidíte rotující neutronovou hvězdu s extrémně silným magnetickým polem – magnetar. Hodnota pole na povrchu může dosáhnout až 10¹² T. Na povrchu magnetaru je přibližně kilometr tlustá kůra z magnetického pole a elektronů. Při jejím praskání dochází k přepojování magnetických silokřivek a uvolňování energie v podobě nepravidelně se opakujících záblesků na hranici rentgenového a gama oboru. V naší Galaxii je známa přibližně jedna desítka těchto výjimečných objektů. Aby se neutronová hvězda stala magnetarem, musí její počáteční úhlová rychlost být vyšší než 200 otáček za sekundu. Efekt tekutinového dynama mnohonásobně zesílí pole a poté během několika desítek sekund rotační frekvenci zpomalí na jednu otáčku za několik sekund. Zdroj NASA, 2005. (mpg, 4 MB)

Odkazy