Αστρονομία ακτίνων-Χ

Άρθρο, Οκτώβριος 2002

Η κατασκευή και λειτουργία ενός παρατηρητηρίου ακτίνων-Χ είναι ένα θαύμα της μοντέρνας τεχνολογίας και εφευρετικότητας. Μηχανικοί, τεχνικοί και επιστήμονες σχεδιάζουν και κτίζουν μεγάλους, καμπύλους καθρέπτες που μπορεί να είναι ένθετοι μέσα σε ένα άλλο καθρέπτη ώστε να αυξήσουν την συνολική ανακλαστική επιφάνεια του τηλεσκοπίου. Οι καθρέπτες όμως εστιάζουν φωτόνια ακτίνων-Χ πάνω σε ανιχνευτές ανώτερης τεχνικής, οι οποίοι καταγράφουν την κατεύθυνση και σε μερικές περιπτώσεις, την ενέργεια των φωτονίων.

Λόγω της απορρόφησης από τη Γήινη ατμόσφαιρα της ακτινοβολίας-Χ, που εκπέμπεται από τον ήλιο και άλλα αστέρια, τα παρατηρητήρια ακτίνων-Χ πρέπει να τοποθετηθούν ψηλότερα από την επιφάνεια της Γης. Αυτό σημαίνει ότι οι καθρέπτες και ανιχνευτές υψηλής ακρίβειας, μαζί με τα ηλεκτρονικά που θα μεταβιβάσουν την πληροφορία πίσω στη Γη, πρέπει να είναι ικανά να ανθίστανται στην εκτόξευση του πυραύλου, και να λειτουργούν στο περιβάλλον του διαστήματος.

Έτσι οι κοσμικές ακτίνες X ανιχνεύθηκαν αρχικά από τον Herbert Friedman, χρησιμοποιώντας όργανα που τοποθέτησε σε έναν πύραυλο το 1949.

Εν συνεχεία το 1959 ο Νομπελίστας Φυσικής του  2002 Giacconi καινοτόμησε στην ανάπτυξη κι άλλων ανιχνευτών ακτινοβολίας Χ, που βασίζονταν σε παρατηρήσεις από το διάστημα, με πυραύλους και διαστημικά οχήματα.

Το 1962, μια ομάδα επιστημόνων κάτω από την καθοδήγηση Riccardo Giacconi, στο Καίμπριτζ της Μασαχουσέτης, χρησιμοποίησε έναν μικρό ανιχνευτή ακτίνων X  σε έναν πύραυλο για την ανακάλυψη του Scorpius Χ-1, την πρώτη πηγή ακτίνων X έξω από το ηλιακό μας σύστημα.

Το πρώτο τηλεσκόπιο απεικόνισης των ακτίνων X , που έγινε από τον Giacconi και τους συνεργάτες του, στάλθηκε με τη βοήθεια ενός πυραύλου τον Οκτώβριο του 1963 και τράβηξε εικόνες των καυτών σημείων στην ανώτερη ατμόσφαιρα του ήλιου. Αυτό το τηλεσκόπιο ήταν σχεδόν ίδιας διαμέτρου και μήκους, με το οπτικό τηλεσκόπιο που χρησιμοποίησε το 1610 ο Γαλιλαίος.

Πως λειτουργεί το τηλεσκόπιο των ακτίνων-Χ

Οι ακτίνες X δεν ανακλώνται σε καθρέπτες με τον ίδιο τρόπο που το κάνει το ορατό φως.  Εξ' αιτίας της υψηλής τους ενέργειας, τα φωτόνια των ακτίνων-Χ διεισδύουν μέσα στον καθρέπτη με τον ίδιο τρόπο που οι σφαίρες συγκρούονται σε ένα τοίχο. Παρόμοια, όπως τα βλήματα αναπηδούν όταν κτυπούν ένα τοίχο ξυστά, έτσι επίσης θα αναπηδήσουν και οι ακτίνες-Χ πάνω στους καθρέπτες (δείτε το πάνω διάγραμμα). Αυτές οι ιδιότητες σημαίνουν πως τα τηλεσκόπια των ακτίνων-Χ πρέπει να είναι πολύ διαφορετικά από τα οπτικά τηλεσκόπια.

Οι καθρέπτες πρέπει να έχουν σχήμα (παραβολικό και υπερβολικό) μεγάλης ακρίβειας και να είναι ευθυγραμμισμένοι σχεδόν παράλληλοι με την εισερχόμενη ακτινοβολία-Χ. Έτσι μοιάζουν περισσότερο σαν τα βαρέλια παρά με τα γνωστά σχήματα σαν πιάτα των οπτικών τηλεσκοπίων.

Για μία περίοδο 380 ετών, τα οπτικά τηλεσκόπια βελτιώνονταν συνεχώς σε ευαισθησία πάνω από 100 εκατομμύρια φορές από το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου έως το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble. Κατά εντυπωσιακό τρόπο, το Παρατηρητήριο, των ακτίνων X, Chandra έχει μια αξιοσημείωτη ευαισθησία πολύ μεγαλύτερη από το τηλεσκόπιο του Giacconi, του 1963.

Σαράντα έτη αργότερα, έχουν ανιχνευτεί 100.000 πηγές ακτίνων X , η πιό απόμακρη των οποίων είναι 13 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Σήμερα οι περισσότεροι αστρονόμοι θεωρούν ότι οι πηγές αυτές περιέχουν μαύρες οπές. Αυτό το εξαιρετικό άλμα στην ευαισθησία οφείλεται, κατά το μεγαλύτερο μέρος, στην ανάπτυξη των τηλεσκοπίων που μπορούν να εστιαστούν στις ακτίνες X.

Η αστρονομία των ακτίνων X επιτρέπει τώρα στους ερευνητές να μελετήσουν τα αστέρια και τις μαύρες οπές με πρωτοφανή λεπτομέρεια. "Χωρίς την συμβολή του Giacconi δεν θα υπήρχε καμία αστρονομία των ακτίνων X",  λέει ο Paul Ricker, ένας εμπειρογνώμονας σε αυτό το πεδίο στο Πανεπιστήμιο του Ιλλινόις.

Στα αποτελέσματα των ερευνών από το Chandra οφείλεται η γνώση μας ότι το Σύμπαν είναι γεμάτο από ένα καυτό,  απίστευτα διαχεόμενο υλικό μεταξύ των γαλαξιών, που πριν δεν μπορούσαμε να το ανιχνεύσουμε. Όταν συγκεντρώνεται μαζί αυτό το υλικό, τινάζεται μακριά από όλα τα αστέρια και τους γαλαξίες και τους πλανήτες, που μπορεί να φανεί στο ορατό φως. Εξετάζοντας αυτό το υλικό, οι επιστήμονες ελπίζουν να κερδίσουν μία καλύτερη κατανόηση στη δομή και εξέλιξη του Σύμπαντος.  

Το Chandra μετρά την ακτινοβολία-X και ο λόγος που μετράται είναι σημαντικός, γιατί το υλικό που ψάχνουμε -- αυτό το πολύ λεπτό και ανάλαφρο αέριο, αυτό το διάχυτο υλικό μεταξύ των γαλαξιών -- είναι πολύ καυτό. Και το μόνο πράγμα που εκπέμπει πολύ εξασθενημένα είναι ακτίνες X, και το μόνο πράγμα ομοίως που απορροφά,  πολύ εξασθενημένα, είναι ακτίνες-X, από φωτεινές πηγές πολύ πολύ μακριά στο Σύμπαν.

Και οι δύο από αυτές τις τεχνικές συνδυάστηκαν σε αυτή τη σειρά των μελετών για να αποδειχθεί ότι υπάρχει εκεί πέρα -- ένα πολύ διάχυτο υλικό, σε όλο το διάστημα, κάτι πολύ πολύ θερμό. Αλλά όταν προστεθεί αυτό το καυτό αέριο σε όλο το Σύμπαν, είναι πολύ περισσότερο από το υλικό που υπάρχει στα αστέρια, σε όλους τους γαλαξίες που βλέπουμε με τα οπτικά τηλεσκόπια.

Η ιστορία των αποστολών για παρατηρήσεις με ακτίνες-Χ

Uhuru

Αρχές του 1970, ο δορυφόρος ακτίνων-Χ της NASA Uhuru, εφοδιασμένο με ένα σχετικά απλό όργανο - ένα ευαίσθητο ανιχνευτή ακτίνων-x παρόμοιος με ένα μετρητή Geige. Ο Uhuru ανακάλυψε αποδείξεις μαύρων οπών και υπέρπυκνων αστέρων νετρονίων που ρουφούσαν ύλη από συνοδούς αστέρες, και αχανείς εκτάσεις καυτού αερίου σε γιγαντιαία συστήματα που περιέχουν χιλιάδες γαλαξίες.

Skylab

Το πρώτο μεγάλο τηλεσκόπιο ακτίνων-x ήταν το Τηλεσκόπιο Απόλλων, πάνω στο Skylab αρχές του 1970. Χρησιμοποιούσε δύο ζεύγη συγκεντρωτικών κατόπτρων για να πάρει εκλπληκτικές εικόνες ακτίνων x του ήλιου. Χρησιμοποιήθηκε σαν εξέδρα για την ανάπτυξη του Παρατηρητηρίου ακτίνων Χ Einstein.

Einstein--Το πρώτο παρατηρητήριο ακτίνων Χ

Αυτό το παρατηρητήριο της NASA, που στάλθηκε στο διάστημα το 1978, ήταν το πρώτο μεγάλο τηλεσκόπιο με κάτοπτρα. Τράβηξε τις πρώτες εικόνες με ακτίνες-X κυμάτων κλονισμού από άστρα που εκράγηκαν, και εικόνες από καυτό αέριο σε γαλαξίες και σμήνη αστέρων. Επίσης το Einstein έκανε δυνατή την μελέτη της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης που περιβάλει πολλούς γαλαξίες.

ROSAT

Ο δορυφόρος Roentgen ή ROSAT, μια κοινή αποστολή μεταξύ Γερμανών, Άγγλων και Αμερικανών, μετέφερε ένα ακόμη μεγαλύτερο τηλεσκόπιο ακτίνων-Χ το 1990. Ο γνωστός αριθμός των πηγών των ακτίνων-Χ αυξήθηκε τρομερά, σε πάνω από 60.000.

ASCA

Ο ASCA (Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics) ήταν μια κοινή αποστολή Ιαπωνίας και ΗΠΑ. Το παρατηρητήριο ASCA, που πέταξε το1993, ήταν ειδικά σχεδιασμένο να μελετήσει την λεπτομερή κατανομή των ακτίνων-X με την ενέργεια, που δίνει σπουδαίες πληροφορίες για τα αέρια στοιχεία που κάνουν την εκπομπή των ακτίνων αυτών. Τελείωσε την αποστολή του το Ιούλιο του 2000.

RXTE

Το Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) είναι μια αποστολή της NASA που απεστάλη στο διάστημα το Δεκέμβριο του 1995. Αν και το RXTE δεν έχει κάτοπτρα εστίασης ακτίνων-X, έχει μια μοναδική ικανότητα να μελετά γρήγορα μεταβολές στην εκπομπή από πηγές ακτίνων-Χ σε ένα μεγάλο εύρος ενεργειών, και αναμένεται να κάνει σπουδαίες έρευνες στα άστρα νετρονίων και μαύρες οπές.

BeppoSAX

Το BeppoSAX είναι ένα πρόγραμμα της Ιταλίας με τους Ολλανδούς. Πέταξε στις 30 Απριλίου του 1996 και είναι η πρώτη αποστολή που ψάχνει για ακτίνες ενεργειών από 0.1 έως 300 keV. Το BeppoSAX τράβηξε εικόνες πηγών που σχετίζονται με εκλάμψεις (εκρήξεις) ακτίνων-Χ.

XMM

Το XMM (The High-Throughput X-ray Spectroscopy Mission) είναι ένα μεγάλο αστροφυσικό παρατηρητήριο ακτίνων-X- και αναπτύχθηκε από την European Space Agency (ESA). Πέταξε τον Δεκέμβριο του 1999. Προβλέπεται να διατηρηθεί για 10 χρόνια, κάνοντας φασματοσκοπικές παρατηρήσεις σε διάφορες κοσμικές πηγές, και θα είναι ένα ισχυρό συμπλήρωμα στο Chandra.

 Chandra

Η πιο σπουδαία αστρονομική αποστολή στις ακτίνες-Χ σήμερα είναι το Παρατηρητήριο ακτίνων-Χ της  NASA, Chandra, που πέταξε στις 23 Ιουλίου του 1999. Αυτό το τηλεσκόπιο περιέχει τέσσερα σύνολα ένθετων κατόπτρων και είναι το καλύτερο μέχρι τώρα παρατηρητήριο. Μπορεί να ανιχνεύσει πηγές περισσότερο από δύο φορές σε μεγαλύτερη απόσταση και να παράγει εικόνες με πενταπλάσια λεπτομέρεια. Τα κάτοπτρα του έχουν λειανθεί τόσο πολύ που το ύψος των προεξοχών φθάνει στο ύψος λίγων ατόμων. Αν η επιφάνεια της Γης ήταν τόσο λεία όσο τα κάτοπτρα του Chandra, το μεγαλύτερο βουνό θα είχε ύψος, λιγότερο από 2 μέτρα.

Τα τηλεσκόπια των ακτίνων-Χ έχουν μια διαφορετική σχεδίαση από τα οπτικά τηλεσκόπια γιατί οι ακτίνες-Χ θα ανακλαστούν από τα κάτοπτρα μόνο αν περνούν ξυστά από αυτά. Δύο ανακλαστήρες χρησιμοποιούνται για την εστίαση των ακτίνων-X σε ένα σημείο.