"Prześwietlenie" rentgenowskie całego nieba w kilka godzin. Tak potrafi Einstein

Każdy teleskop kosmiczny ma swojego patrona i jest to zwykle osoba, która zapisała się wielkimi zgłoskami w historii nauki. Teleskop Hubble nazwano na cześć odkrywcy bezmiaru kosmosu, Spitzer otrzymał nazwę po astronomie, który promował koncepcję teleskopów kosmicznych jeszcze zanim człowiek wysłał w kosmos cokolwiek. Bywają też nazwy kontrowersyjne jak Webb, od nazwiska jednego z administratorów NASA w czasach programu Apollo.

Był też teleskop Chandra, nazwany na cześć zdobywcy nagrody Nobla, hinduskiego astronoma, który zajmował się późnymi etapami ewolucji gwiazd - wyliczył maksymalną masę jaką może mieć biały karzeł. Einstein także doczekał się swoich instrumentów. Tak nazwany jest nowy teleskop kosmiczny przeznaczony do obserwacji nieba w promieniowaniu rentgenowskim - Einstein Probe.

Końcowe prace przy teleskopie Einstein. (fot: Chińska Akademia Nauk)

Co ciekawe Einstein był także nazwą innego teleskopu rentgenowskiego, który pracował na orbicie Ziemi na przełomie lat 70. i 80. XX wieku. W latach 90. XX wieku zastąpił go Röntgen, którego nazwa wydaje się jeszcze lepiej dobrana do przeznaczenia. Einstein Probe można nazwać ich następcą. Nie należy go jednak mylić z proponowanym obserwatorium Einstein, który posłużyłoby detekcji fal grawitacyjnych, stając się następcą instrumentów LIGO.

Einstein Probe "prześwietli" połowę nieba w kilka godzin

Teleskop Einstein został wyniesiony na orbitę 9 stycznia 2024 roku przez rakietę Długi Marsz 2C i okrąża teraz Ziemię w odległości 595 km co 96 minut. To o kilkadziesiąt km więcej niż w przypadku Hubble’a, ale nachylenie orbity względem równika jest prawie identyczne w przypadku obu teleskopów. Teleskop działa tak, że znajdując się po stronie nasłonecznionej Ziemi ładuje akumulatory, a przesuwając się w cień Ziemi obserwuje niebo za każdą orbitą przesuwając kierunek obserwacji. Tak, by w trakcie trzech obiegów Ziemi wykonać skan, zdjęcie retgenowskie połowy nieba.

Nie jest to to samo co prześwietlenie z jakim mamy do czynienia w trakcie wizyty u lekarza, ale to ciekawe skojarzenie od razu nasuwa się na myśl, gdy mowa o obserwacjach Einsteina.

Droga Mleczna w promieniowaniu rentgenowskim (widoczne krzyżyki) w trakcie obserwacji zebranych w ciągu 11 godzin. (fot: ESA)

Obserwacje rentgenowskie wymagają innej „optyki”

Einstein ma niezwykłą konstrukcję, waży 1450 kilogramów i wyposażony jest w dwa teleskopy. Oba przeznaczone są do obserwacji w promieniach rentgenowskich, jednak pierwszy z teleskopów WXT ma szerokie pole widzenia i optykę o konstrukcji zwanej okiem homara (ang. lobster-eye). Jest on w stanie dokonać przeglądu połowy dostępnego nieba w ciągu kilku godzin. Drugi z teleskopów FXT zajmuje się dokładniejszymi obserwacjami bardziej interesujących obiektów, które trzeba przeprowadzić na szybko. Całość nie jest bardzo duża, bo pomijając rozłożone panele słoneczne, które muszą zapewnić minimum 1,2 kW energii, główna struktura teleskopu przypomina kostkę o boku około 3 do 3,5 metra.

Teleskop Einstein (po lewej) i instrument FXT (po prawej) podczas montażu na Ziemi. (fot: ESA / Chińska Akademia Nauk)

Optyka przeznaczona do obserwacji w promieniowaniu rentgenowskim jest kompletnie odmienna od tej, którą stosuje się do obserwacji w świetle podczerwonym, widzialnym, czy nawet ultrafiolecie. Promieniowanie rentgenowskie jest jeszcze bardziej energetyczne i zwykłe zwierciadło nie spełniłoby tutaj swojej roli. Teleskopy wyposażono w tunele, które prowadzą promieniowanie (odbijające się od ich ścianek) do detektorów. W przypadku Einsteina i teleskopu o ultraszerokim polu widzenia jest ich wiele i przypominają one wspomniane oko homara. Z tego też powodów rozdzielczość obserwacji w promieniach rentgenowskich nie jest tak wysoka jak w przypadku światła widzialnego.

Jeśli na niebie pojawi się źródło promieniowania rentgenowskiego na detektorach Einsteina wytworzy ono charakterystyczny krzyżyk. By obraz przyjął wygodniejszą i czytelną formę stosowany jest instrument FXT, który ma większą rozdzielczość niż WXT.

Po co obserwujemy kosmos w promieniowaniu rentgenowskim?

Promieniowanie rentgenowskie jest drugim co do siły pod względem energii jaką niosą fotony. Silniejsze jest tylko promieniowanie gamma. By wygenerować takie promieniowanie konieczne są równie energetyczne zjawiska. Są to między innymi:

• pływowe rozerwanie gwiazd, które pożerają czarne dziury
• efekt zlania się gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej z czarną dziurą, któremu towarzyszy dodatkowo silna emisja fal grawitacyjnych
• eksplozje supernowych, w których zapada się jądro masywnej gwiazdy
• błyski gamma (GRB) we wczesnym kosmosie, którym towarzyszy również promieniowanie rentgenowskie
• aktywność w centrach aktywnych galaktyk (AGN) powiązana z supermasywnymi czarnymi dziurami
• wysokoenergetyczne błyski, które obserwowane są pod specyficznym kątem, co czyni je widoczne zwłaszcza w promieniowaniu rentgenowskim
• rentgenowskie układy podwójne, czyli układy, w których jedna z gwiazd stała się już czarną dziurą i stopniowo pochłania towarzyszkę

Jak wytłumaczyć sens takich obserwacji laikowi? Oczywiście nie chodzi tu tylko o dążenie do wyjaśnienia tego co widzimy w różnych zakresach promieniowania elektromagnetycznego na niebie. Takie kosmiczne obiekty i kataklizmy są doskonałym laboratorium, gdzie można obserwować zachowanie materii przy bardzo dużych energiach. Ta wiedza może przyczynić się w przyszłości do powstania jeszcze doskonalszych narzędzi diagnostycznych.

Pierwsze zdjęcia nieba z Einsteina zachwycają astronomów

Pierwsze źródło rentgenowskie, które pojawiło się znikąd (tzw. transient), Einstein odkrył 19 lutego, było ono powiązane z trwającym około 100 sekund błyskiem gamma. Do końca kwietnia udało się zaobserwować jeszcze 14 innych takich zjawisk, a także 127 gwiazd jasnych w promieniach rentgena.

Omega Centauri największa gromada kulista w Galaktyce. Po lewej zdjęcie z naziemnego teleskopu w świetle widzialnym, po prawej widok z Einsteina w promieniach rentgena. (fot: ESO/MPG, ESA/Einstein)

Puppis A, pozostałość po wybuchu supernowej, wciąż dobrze widoczna w promieniach rentgena 3700 lat po katakliźmie. Kolory dobrane dla lepszej wizualizacji zjawiska. (fot: ESA/Einstein)

Nie tylko Einstein podgląda dziś kosmos w promieniach rentgena

Einstein nie jest jedynym teleskopem rentgenowskim, który działa obecnie na orbicie. Inne to XMM-Newton, projekt ESA, a także XRISM, który zbudowała i umieściła na orbicie japońska JAXA. Jest też Astrosat hinduskiej agencji ISRO i NuSTAR, którego operatorem jest NASA. Prawdziwa praca Einsteina rozpocznie się dopiero pod koniec czerwca, bo wciąż teleskop jest na etapie odbioru technicznego. Gdy już rozpocznie regularne obserwacje, ma to robić co najmniej przez trzy lata. A w przyszłości, po 2035 roku, zastąpić Einsteina może między innymi Athena, teleskop, którego koncepcja jest obecnie analizowana przez ESA.

Koncepcja przyszłego teleskopu rentenowskiego ESA, o nazwie Athena powraca do klasycznej konstrukcji z długim tubusem. (fot: ESA)

Źródło: ESA, inf. własna