Ετοιμάζεται για εκτόξευση ο δορυφόρος Swift για την παρακολούθηση των εκρήξεων ακτίνων-γ

Άρθρο, Οκτώβριος 2004

Στις 2 Νοεμβρίου έχει προγραμματιστεί η εκτόξευση του Swift, ενός δορυφόρου κατάλληλα σχεδιασμένου ώστε να εντοπίζει εκρήξεις ακτίνων γ (GRB) και να μελετά την εναπομένουσα λάμψη τους. Σε σύνδεση με ένα παγκόσμιο δίκτυο τηλεσκοπίων, το Swift θα προσφέρει για πρώτη φορά στους επιστήμονες τεράστιο όγκο δεδομένων.

Σύμφωνα με τον αστρονόμο Derek Fox, του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια (Caltech), "από εκεί που βρίσκαμε στοιχεία με το σταγονόμετρο, θ' ανοίξουν οι κρουνοί".

Ο δορυφόρος Swift είναι το πρώτο παρατηρητήριο του είδους του που θα κάνει παρατηρήσεις σε πολλά μήκη κύματος. Τρία όργανά του θα λειτουργούν μαζί για να παρατηρήσουν τις εκρήξεις των ακτίνων-γ και τις  μεταλαμπές σε ακτίνες-γ (με το τηλεσκόπιο BAT), ακτίνες-X (με το τηλεσκόπιο XRT), υπεριώδεις ακτίνες- οπτικά μήκη κύματος (με το τηλεσκόπιο UVO). Οι κύριοι στόχοι της αποστολής του  Swift είναι:

• Να προσδιορίσει την προέλευση των εκρήξεων των ακτίνων-γ

• Να ταξινομήσει τις εκρήξεις αυτές καθώς και να αναζητήσει νέους τύπους

• Να προσδιορίσει πως εξελίσσεται το ωστικό κύμα και πως αλληλεπιδρά με το περιβάλλον

• Να χρησιμοποιήσει τις εκρήξεις αυτές για να μελετήσει το αρχικό Σύμπαν

• Να εκτελέσει την πρώτη ευαίσθητη έρευνα των σκληρών ακτίνων-X στον ουρανό

Οι υπάρχοντες δορυφόροι μπορούν να προσδιορίσουν κατά προσέγγιση τη θέση της έκρηξης των ακτίνων γ.  To Swift όμως θα προσδιορίσει τη θέση της έκρηξης μέσα σε μια πολύ μικρή περιοχή, έτσι ώστε τα καλύτερα τηλεσκόπια να μπορούν να παρακολουθήσουν την εναπομένουσα λάμψη της.

Το Swift θα εποπτεύει μία μεγάλη περιοχή του ουρανού, αναζητώντας εκρήξεις ακτίνων-γ. Μόλις συμβεί αυτό, θα τεθεί σε εφαρμογή ένας ιδιαίτερος μηχανισμός ανάλυσης και καταγραφής. Στα δύο λεπτά κατά τα οποία η έκρηξη εκπέμπει ακτίνες γ, το ποσό ενέργειας που απελευθερώνει ισοδυναμεί με την ενέργεια την οποία εκλύουν εκατοντάδες αστέρες καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Στις επόμενες ημέρες, τα επίγεια τηλεσκόπια θα παρατηρούν την εναπομένουσα λάμψη για να υπολογίσουν τη χημική της σύσταση και την απόσταση.

Το Swift είναι δορυφόρος που προέρχεται από μια συνεργασία μεταξύ των ΗΠΑ, του Ηνωμένου Βασιλείου και της Ιταλίας.

Πρόκειται για μία μάχη με το χρόνο - η φωτεινότητα της λάμψης υποδεκαπλασιάζεται σε μία με δύο ημέρες. Ευτυχώς το Swift θα έχει γρήγορα αντανακλαστικά. "Ο δορυφόρος μπορεί ν' ανιχνεύσει μία έκρηξη και να εντοπίσει τη θέση της μέσα σε 10 δευτερόλεπτα", λέει ο επικεφαλής της έρευνας Neil Gehrels. "Μέσα σε ένα λεπτό περίπου θα έχει μεταδώσει στη Γη τα σχετικά δεδομένα, στρέφοντας παράλληλα το οπτικό τηλεσκόπιο και το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ προς την έκλαμψη".

Με την ταχύτητα και την ακρίβεια που μπορεί να επιτύχει, το Swift θα βοηθήσει ν' απαντηθούν τα πάμπολλα ερωτηματικά που ταλανίζουν τον κλάδο. "Όλες οι εκρήξεις ακτινών γ προέρχονται από μεγάλους αστέρες ή μήπως συμβαίνει κάτι άλλο;" διερωτάται ο Roger Chevalier, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια.

"Έως σήμερα, οι παρατηρήσεις δε μας έχουν παράσχει πολλές λεπτομέρειες». Αφού, όμως, οι αστρονόμοι μπορούν πλέον να βασιστούν στα μετρητικά τους όργανα και όχι απλώς στην τύχη, μπορούμε ν' αναμένουμε πειστικές απαντήσεις".

Στις 29 Μαρτίου 2003, λίγο μετά το μεσημέρι, ο Derek Fox ξύπνησε και έμαθε ότι η Γη δέχθηκε «επίθεση» από το διάστημα. Το ηλεκτρονικό του ταχυδρομείο ήταν γεμάτο με προειδοποιητικά μηνύματα και επιστολές από άλλους ανήσυχους αστρονόμους, ενώ οι συνάδελφοι του προσπαθούσαν ν' αναλύσουν μία πρωτόγνωρη έκρηξη που είχε ανιχνευθεί εννιά ώρες νωρίτερα. Το δορυφορικό τηλεσκόπιο ακτινών γ του Εξερευνητή Παροδικής Υψηλής Ενέργειας (High Energy Transient Explorer — HETE) είχε εντοπίσει τα πρώτα σήματα μίας από τις πιο ισχυρές εκρήξεις που έχουν ποτέ ανιχνευθεί στο σύμπαν, κάπου 2 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας (η απόσταση αυτή είναι πολύ κοντά μας αν πρόκειται για εκρήξεις GRB. Επρόκειτο για μία έκλαμψη ακτινών γ - ένα από τα πιο βίαια και αινιγματικά φαινόμενα του σύμπαντος.

Ήταν τόσο ισχυρό ωστικό κύμα που το λογισμικό του το θεώρησε βλάβη των οργάνων, καθυστερώντας το «κατέβασμα» των δεδομένων. Εβδομήντα τρία λεπτά μετά την έκρηξη, η είδηση διαδόθηκε στο διαδίκτυο.

Ένα προς ένα, όλα τα τηλεσκόπια στράφηκαν προς την έκρηξη. Οι αστρονόμοι προσπαθούσαν ν' αναλύσουν μία πρωτόγνωρη έκρηξη που είχε ανιχνευθεί εννιά ώρες νωρίτερα.

Ο Fox γνώριζε ότι το απόγευμα αυτό είχε τη μοναδική ευκαιρία να καταγράψει τη σύντομη αναλαμπή από την έκρηξη και να συμβάλει στην επίλυση ενός από τους πλέον δύσκολους γρίφους της αστρονομίας: Πώς δημιουργούνται οι εκλάμψεις ακτίνων γ;

Ο ίδιος κατέγραψε τη λάμψη, όπως έκαναν και πολλοί άλλοι αστρονόμοι ανά τον κόσμο εκείνη τη νύχτα, χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις για να επιβεβαιώσει μία πρόσφατη θεωρία σχετικά με την αιτία μερικών εκλάμψεων ακτίνων γ (όχι όμως όλων). Παρόλο που δεν πέτυχε πλήρως το στόχο του, πρέπει να αισθάνεται τυχερός. Οι εκρήξεις εκπέμπουν αρχικά ακτίνες γ υψηλής ενέργειας για λιγότερα από δύο λεπτά κατά μέσο όρο, έπειτα παίρνουν τη μορφή ορατών αντικειμένων για λίγες ημέρες, ενώ στη συνέχεια εξαφανίζονται με ταχύτητα.

Λίγες εβδομάδες μετά από εκείνη τη νύχτα, ο Fox και οι συνάδελφοι του συνειδητοποίησαν πόσο τυχεροί είχαν σταθεί. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις τους εκρήξεις ανάλογης έντασης παρουσιάζονται ανά μία δεκαετία περίπου. Αφού όμως ο ΗΕΤΕ μπορεί να εποπτεύει μόνο το 10% περίπου του ουρανού, οι αστρονόμοι στην πραγματικότητα ανίχνευσαν ένα φαινόμενο που εμφανίζεται ανά 100 χρόνια.

Η παροδική λάμψη τους εδώ και τρεις δεκαετίες είναι το βασικό στοιχείο που προβληματίζει τους αστρονόμους. Αν και οι ερευνητές γνωρίζουν ότι πρόκειται για τα πιο βίαια φαινόμενα στο σύμπαν, δεν μπορούν να εξακριβώσουν την ακριβή φύση τους. Μόνο επειδή η έκρηξη ακτίνων γ της 29ης Μαρτίου ήταν ασυνήθιστα φωτεινή, κατάφεραν οι αστρονόμοι να την καταγράψουν και ν' αντλήσουν (για πρώτη φορά) τόσο πολλές πληροφορίες. Οι εκρήξεις ακτίνων γ για πολύ χρόνο έμοιαζαν να περιπαίζουν τους αστρονόμους, να τους γελοιοποιούν και ν' αμφισβητούν την ικανότητα τους ν' αναλύσουν με συστηματικό τρόπο αυτά τα φωτεινά αντικείμενα αγνώστου ταυτότητας.

Από τη δεκαετία του '60

Ο γρίφος των εκλάμψεων από ακτίνες-γ απασχόλησε για πρώτη φορά την επιστήμη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, όταν οι κατασκοπευτικοί δορυφόροι των ΗΠΑ που είχαν ως στόχο να παρακολουθούν τυχόν πυρηνικές δοκιμές των Σοβιετικών εντόπισαν σποραδικές εκπομπές φωτονίων υψηλής ενέργειας. Τα πρώτα αυτά δεδομένα τελικά αποχαρακτηρίστηκαν το 1973 και παρουσιάστηκαν στο περιοδικό Astrophysical Journal. Για δεκαετίες, κανείς δε γνώριζε περί τίνος επρόκειτο και από πού προέρχονταν.

Το 1996, η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος εκτόξευσε το δορυφόρο BeppoSAX, ο οποίος θα μπορούσε να εντοπίζει κατά προσέγγιση τις εκρήξεις ακτίνων γ και να μεταδίδει τις σχετικές πληροφορίες στη Γη μέσα σε λίγες ώρες.

Οι Andrew MacFayden, του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον και Stanford Woosley, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ, είχαν προτείνει τέσσερα χρόνια νωρίτερα ένα πρωτοποριακό μοντέλο για τις εκλάμψεις ακτίνων γ, το οποίο εξηγούσε τις φαινομενικά εξωπραγματικές ιδιότητες ενός αντικειμένου με τόση ενέργεια που μπορεί να λάμπει σε όλο το σύμπαν.

Οι MacFayden και Woosley συνειδητοποίησαν ότι μπορούμε ν' ανιχνεύουμε ευκολότερα την εκλυόμενη ενέργεια όταν αυτή εστιάζεται σε δέσμες, παρά όταν διαχέεται προς όλες τις διευθύνσεις. Κατέληξαν σε έναν υπερκαινοφανή αστέρα ειδικής μορφής ως πηγή των εκλάμψεων ακτινών γάμα, έναν υπερκαινοφανή ο οποίος εστιάζει την ενέργεια του σε δυο λεπτές δέσμες.

Ονόμασαν αυτούς τους νέους υπερκαινοφανείς collapsar, επειδή προκαλούνται όταν ο πυρήνας ενός μεγάλου αστέρα καταρρέει σε μία περιστρεφόμενη μαύρη τρυπά. Η τρυπά αυτή απορροφά αστρική μάζα, σχηματίζοντας έναν πυκνό στροβιλιζόμενο δίσκο. Τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από αυτό το δίσκο εκτοξεύουν φορτισμένα σωματίδια μέσα από το εξωτερικό κέλυφος του αστέρα με ταχύτητες 99,999% αυτής του φωτός, δημιουργώντας μία λεπτή ακτίνα γ πολύ μεγάλης ενέργειας. Η παρατήρηση επιβεβαίωσε τη θεωρία των MacFayden και Woosley.

"To φαινόμενο της 29ης Μαρτίου 2003 αποτελεί την αδιάψευστη απόδειξη ότι τουλάχιστον ένα ποσοστό των εκλάμψεων ακτινών γ σχετίζεται με την κατάρρευση των πυρήνων υπερκαινοφανών αστέρων, οι οποίοι δημιουργούν πίδακες με σχετικιστικές ταχύτητες", δηλώνει ο J. Craig Wheeler, επικεφαλής της Ερευνητικής Ομάδας Υπερκαινοφανών Αστέρων στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν.

Πολλά ερωτήματα, όμως, παραμένουν αναπάντητα. Με την εις βάθος μελέτη των εκρήξεων ακτινών γ, μπορούμε ν' αντλήσουμε πληροφορίες για τις περιοχές πλησίον τους, για το τι συμβαίνει στις παρυφές του παρατηρήσιμου σύμπαντος. Υπάρχει, επίσης, ένα τουλάχιστον εντελώς διαφορετικό είδος εκλάμψεων ακτινών γ — και πιθανόν περισσότερα από ένα. Οι σύντομες εκλάμψεις ακτινών γ -το 25% περίπου— διαρκούν λιγότερο από δύο δευτερόλεπτα. "Γι' αυτές έχουμε πλήρη άγνοια", λέει ο Wheeler.

Οι βασικές θεωρίες για την εξήγηση των εκρήξεων αυτού του είδους επικαλούνται συγκρούσεις αστέρων νετρονίων ή συγκρούσεις ανάμεσα σε αστέρες νετρονίων και μαύρες τρύπες.