Ακτινογραφίες του ουρανού

Καλλιτεχνική απεικόνιση της πηγής Cyg X-1. Υλη από τον κυανό γίγαντα αστέρα προσπίπτει στη μελανή οπή και σχηματίζει έναν δακτύλιο πολύ υψηλής θερμοκρασίας, ο οποίος ακτινοβολεί σε ακτίνες-Χ

Για τον περισσότερο κόσμο η αστρονομία είναι συνυφασμένη με τα μεγάλα οπτικά τηλεσκόπια που είναι εγκατεστημένα στην επιφάνεια της Γης, όπως τα γιγαντιαία αμερικανικά τηλεσκόπια Keck στη Χαβάη ή τα ευρωπαϊκά VLT στην έρημο της Χιλής. Για τον περισσότερο κόσμο επίσης οι ακτίνες-Χ είναι συνυφασμένες με ιατρικές εξετάσεις, δηλαδή ακτινογραφίες ή αξονικές τομογραφίες. Δεν είναι όμως τόσο γνωστό ότι οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν ακτινογραφίες του ουρανού για να κατανοήσουν τη δομή του Σύμπαντος.

Τα διάφορα ουράνια σώματα, όπως οι πλανήτες, ο Ηλιος, οι άλλοι απλανείς αστέρες και τα τεράστια νέφη αερίου και σκόνης που γεμίζουν τον μεσοαστρικό χώρο, εκπέμπουν σε όλο το φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων: από τα ραδιοκύματα, με μήκος κύματος δεκάδες χιλιόμετρα, ως τις ακτίνες-Γ, με μήκος κύματος τρισεκατομμυριοστά του μέτρου. Η παραδοσιακή αστρονομία, που παρατηρεί το Σύμπαν στο ορατό φως, «εκμεταλλεύεται» μόνο μια πολύ μικρή περιοχή αυτού του φάσματος. Αν παρομοιάσουμε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα με ένα γήπεδο ποδοσφαίρου, τότε η οπτική περιοχή έχει πάχος συγκρίσιμο με αυτό ενός φύλλου χορταριού.

Μάρτυρας του «βίαιου» Σύμπαντος

Από την εποχή της ανακάλυψης των ακτίνων-Χ, στα τέλη του 19ου αιώνα, οι αστρονόμοι είχαν την επιθυμία να παρατηρήσουν τον ουρανό σε αυτές τις ακτίνες ευελπιστώντας ότι θα καταγράψουν φαινόμενα αόρατα στο ορατό φως. Και αυτό επειδή με τις ακτίνες-Χ παρατηρούμε τα κοσμικά φαινόμενα με την ισχυρότερη έκλυση ενέργειας, που αποκαλύπτουν ένα «βίαιο» και θερμό Σύμπαν. Χαρακτηριστικά σημειώνουμε ότι ένα φωτόνιο ορατού φωτός έχει ενέργεια δύο ηλεκτρονιοβόλτ, ενώ ένα φωτόνιο ακτίνων-Χ έχει ενέργεια μεγαλύτερη από 1.000 ηλεκτρονιοβόλτ. Επιπλέον οι ακτίνες-Χ έχουν την ιδιότητα να διαπερνούν μεγάλα ποσά ύλης, αντίθετα από τα φωτόνια του ορατού φωτός, τα οποία απορροφώνται σχετικά εύκολα, ιδιότητα άλλωστε που εκμεταλλευόμαστε και στις ιατρικές ακτινογραφίες.

Η ακτινοβολία των ακτίνων-Χ είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς και θα είχε αποβεί μοιραία για τη ζωή επάνω στον πλανήτη μας αν δεν την απορροφούσε η ατμόσφαιρα. Γι' αυτόν τον λόγο, αν θέλουμε να παρατηρήσουμε το Σύμπαν στις ακτίνες-Χ, πρέπει να τοποθετήσουμε ειδικούς ανιχνευτές έξω από την ατμόσφαιρα, στέλνοντας πυραύλους ή δορυφόρους σε ύψος άνω των 80 χιλιομέτρων. Αυτού του είδους η τεχνολογική δυνατότητα αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από γερμανούς επιστήμονες κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Οι γερμανικοί πύραυλοι V-2 και όλη η γερμανική επιστημονική ομάδα που τους κατασκεύασε (με επικεφαλής τον Werner von Braun) μεταφέρθηκαν μετά τον πόλεμο σε μια βάση στο Νέο Μεξικό των Ηνωμένων Πολιτειών, όπου η τεχνολογία των πυραύλων εξελίχθηκε περαιτέρω.

Στον αστερισμό του Σκορπιού

Σύνθετη εικόνα του σμήνους γαλαξιών Σφαίρα. Η περιοχή είναι κατάμεστη από εκατοντάδες γαλαξίες όλων των μεγεθών, οι οποίοι απεικονίζονται με λευκό χρώμα. Είναι φανερό ότι η ύλη (κυανό) εκτείνεται σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις από το υπέρθερμο αέριο (κόκκινο)



Επισήμως η αστρονομία των ακτίνων-Χ πρωτοεμφανίστηκε το 1962 με την εκτόξευση από τις ΗΠΑ ενός πυραύλου Aerobee, εξοπλισμένου με τρεις μετρητές Γκάιγκερ. Σκοπός του πειράματος ήταν η ανίχνευση ακτίνων-Χ από τη Σελήνη. Η πτήση του πυραύλου πάνω από το ύψος των 80 χιλιομέτρων, πέρα από το οποίο η απορρόφηση των ακτίνων-Χ είναι ασήμαντη, διήρκεσε μόλις 6 λεπτά. Ο αρχικός στόχος της παρατήρησης ακτίνων-Χ από τη Σελήνη δεν επετεύχθη, αλλά οι δύο από τους τρεις ανιχνευτές που λειτούργησαν στο μικρό αυτό χρονικό διάστημα κατέγραψαν την ακτινοβολία της πρώτης πηγής ακτίνων-Χ έξω από το Ηλιακό Σύστημα, στον αστερισμό του Σκορπιού, στην οποία αργότερα δόθηκε η ονομασία Sco X-1. Εμπνευστής αυτού του πρωτοποριακού πειράματος ήταν ο ιταλικής καταγωγής αστρονόμος Ρικάρντο Τζιακόνι (Riccardo Giacconi), ο οποίος για το επίτευγμά του αυτό τιμήθηκε με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής του 2002.

Το 1970 εκτοξεύθηκε ο πρώτος δορυφόρος, με την ονομασία Uhuru, που ήταν ειδικά εξοπλισμένος για τη χαρτογράφηση όλου του ουρανού στις ακτίνες-Χ. Στα τρία χρόνια της λειτουργίας του κατέγραψε την ακτινοβολία 339 πηγών ακτίνων-Χ, συμπεριλαμβανόμενης και της πηγής Sco X-1. Η ακρίβεια εντοπισμού των πηγών αυτών ήταν στις περισσότερες περιπτώσεις αρκετή για να ταυτοποιηθεί η εικόνα τους σε φωτογραφικούς χάρτες οπτικών τηλεσκοπίων και έτσι άρχισε η προσπάθεια κατανόησης των μηχανισμών εκπομπής ακτίνων-Χ από ουράνια σώματα. Για παράδειγμα, διαπιστώθηκε ότι η πηγή Sco X-1, που είναι η ισχυρότερη πηγή ακτινοβολίας σε ακτίνες-X, βρίσκεται μέσα στον Γαλαξία μας και εκπέμπει επίσης ακτινοβολία μεταβλητής έντασης τόσο στα ραδιοκύματα όσο και στο ορατό φως. Σήμερα γνωρίζουμε ότι η ακτινοβολία της παράγεται σε ένα διπλό σύστημα αστέρων, όπου μάζα από ένα αστέρι σαν τον Ηλιο μας «πέφτει» σε έναν αστέρα νετρονίων και θερμαίνεται σε θερμοκρασία 100 εκατομμυρίων βαθμών. Αξίζει να σημειωθεί ότι το 1967, πριν από την ανακάλυψη των αστέρων νετρονίων, ο σπουδαίος ρώσος αστρονόμος Ιωσήφ Σκλόφσκι (Iosif Shklovsky) εξέτασε όλες τις διαθέσιμες εκείνη την εποχή παρατηρήσεις του αστρονομικού αντικειμένου Sco X-1 στο ορατό φως και στις ακτίνες-Χ και συμπέρανε ότι η ακτινοβολία προέρχεται από έναν αστέρα νετρονίων στον οποίο προσπίπτει ύλη ενός συνοδού αστέρα. Με άλλα λόγια, η αστρονομία ακτίνων-Χ προέβλεψε την ύπαρξη των εξωτικών αυτών αντικειμένων, που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από νετρόνια, λίγους μήνες πριν από την άμεση παρατήρησή τους μέσω των ραδιοκυμάτων που εκπέμπουν.

Η διάχυτη ακτινοβολία του «βρέφους»

Καλλιτεχνική απεικόνιση του δορυφόρου ΧΜΜ-Newton σε τροχιά γύρω από τη Γη


Ο πύραυλος Aerobee του 1962, καθώς και οι μεταγενέστεροι δορυφόροι, ανακάλυψαν πέρα από τις σημειακές πηγές και μια διάχυτη ακτινοβολία ακτίνων-Χ που προέρχεται σχεδόν ισοτροπικά από όλο το Σύμπαν, δηλαδή από όπου κι αν στρέψουμε τα τηλεσκόπιά μας. Η προέλευση αυτής της διάχυτης ακτινοβολίας παρέμενε άγνωστη ακόμη και ως πριν από μερικά χρόνια. Τελικά οι παρατηρήσεις του αμερικανικού δορυφόρου Chandra της NASA έδειξαν ότι στην πραγματικότητα προέρχεται από την εκπομπή εκατομμυρίων μακρινών κοσμικών πηγών, μερικές ακόμη και σε απόσταση 12-13 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Η εκπομπή αυτή, που εμείς παρατηρούμε σήμερα, έλαβε χώρα όταν ακόμη το Σύμπαν βρισκόταν σε «βρεφική» φάση, έχοντας λιγότερο από το 10% της σημερινής ηλικίας του.

Σήμερα γνωρίζουμε ότι οι ακτίνες-Χ εκπέμπονται από αέρια που βρίσκονται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 10 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Για σύγκριση σκεφθείτε ότι το αέριο στην επιφάνεια του Ηλιου βρίσκεται σε θερμοκρασία μόλις 6.000 βαθμών Κελσίου. Αέριο τόσο μεγάλης θερμοκρασίας βρίσκεται σε αφθονία κοντά σε ουράνια σώματα με ισχυρή βαρύτητα. Τέτοια σώματα είναι οι αστέρες νετρονίων, με μάζα περίπου όση του Ηλιου μας, και οι μελανές οπές, μερικές από τις οποίες φωλιάζουν στα κέντρα πολλών γαλαξιών και έχουν μάζα πολλά εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ηλιου. Καθώς ύλη από το περιβάλλον πέφτει στον αστέρα νετρονίων ή στη μελανή οπή θερμαίνεται ισχυρά και ακτινοβολεί έντονα, κυρίως στα μήκη κύματος των ακτίνων-Χ. Αλλη πηγή ακτίνων-Χ είναι το θερμό αέριο που βρίσκεται διάχυτο στα σμήνη γαλαξιών, τα οποία αποτελούν τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ύλης στο Σύμπαν. Ο αριθμός, η μορφολογία και η δυναμική κατάσταση των σμηνών γαλαξιών σε μεγάλες αποστάσεις από τη Γη μάς δίνουν σημαντικές πληροφορίες για τη συνολική μάζα του Σύμπαντος και επομένως για το ποιο από τα δυνατά κοσμολογικά μοντέλα που προβλέπει η Γενική Θεωρία Σχετικότητας περιγράφει τελικά το Σύμπαν στο οποίο ζούμε. Τέλος, ένας σχετικά μικρός αριθμός πηγών ακτίνων-Χ σχετίζεται με «φυσιολογικούς» γαλαξίες, η ακτινοβολία των οποίων δεν προέρχεται από κάποια μελανή οπή στο κέντρο τους αλλά από διάχυτο θερμό αέριο, καθώς και από διπλούς αστέρες, ένας από τους οποίους είναι μελανή οπή, πολύ μικρότερης μάζας όμως από αυτές στα κέντρα των γαλαξιών.

Η υπερηχητική σύγκρουση του σμήνους Σφαίρα

Μία από τις σημαντικότερες επιστημονικές ανακαλύψεις μέσω παρατηρήσεων στις ακτίνες-Χ είναι η καταγραφή του πιο βίαιου κοσμικού φαινομένου στο Σύμπαν μετά τη Μεγάλη Εκρηξη. Είναι το αποτέλεσμα της σφοδρότατης υπερηχητικής σύγκρουσης, με ταχύτητα 10 εκατομμυρίων χιλιομέτρων την ώρα, δύο σμηνών γαλαξιών σε απόσταση 3,7 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Το μικρότερο από αυτά μετά τη σύγκρουση απέκτησε σχήμα βλήματος, από όπου πήρε και την ονομασία σμήνος Σφαίρα (Bullet cluster). Το σχήμα της κατανομής του υπέρθερμου αερίου και η θερμοκρασία του μάς δίνουν όλες τις αναγκαίες πληροφορίες για να κατανοήσουμε την ιστορία αυτής της κολοσσιαίας σύγκρουσης. Εξάλλου η μεγάλη μάζα του σμήνους λειτουργεί, όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία Σχετικότητας, σαν συγκεντρωτικός βαρυτικός φακός, εστιάζοντας το φως των γαλαξιών που βρίσκονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις από το σμήνος. Με τον τρόπο αυτόν διαπιστώνουμε, πέρα από κάθε αμφιβολία, ότι η συνολική μάζα του σμήνους της Σφαίρας είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τη μάζα του αερίου που ακτινοβολεί, η καλύτερη ίσως απόδειξη ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του Σύμπαντος είναι σκοτεινή.

Αυτή την εποχή οι παρατηρήσεις σε ακτίνες-Χ γίνονται κυρίως από τους δορυφόρους Chandra της NASA και XMM-Newton του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ΕΟΔ, ESA). Μικρότεροι επιστημονικοί «παίκτες» είναι η Ρωσία και η Ιαπωνία. Αλλες χώρες που μπαίνουν δυναμικά σε αυτόν τον τομέα είναι η Κίνα, η Ινδία και η Βραζιλία, δορυφόροι των οποίων αναμένεται να εκτοξευθούν μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια. Αξίζει να σημειωθεί ότι στις παρατηρήσεις του XMM-Newton συμμετέχει και η Ελλάδα, αφού η χώρα μας είναι μέλος του ΕΟΔ από το 2005. Ελληνικές ερευνητικές ομάδες, κυρίως από το Εθνικό Αστεροσκοπείο και από το Πανεπιστήμιο Κρήτης, εργάζονται με επιτυχία στην αστρονομία ακτίνων-Χ, ιδιαίτερα στη μελέτη των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων και των σμηνών γαλαξιών, που είναι οι μεγαλύτεροι κοσμικοί σχηματισμοί στο Σύμπαν.

Το συνέδριο για τα 50 χρόνια


Ο νομπελίστας Ρικάρντο Τζιακόνι κατά την απονομή σε αυτόν του Εθνικού Μεταλλίου Επιστημών των ΗΠΑ το 2003


Με την ευκαιρία της συμπλήρωσης μισού αιώνα από τη γέννηση της αστρονομίας των ακτίνων-Χ, οι ερευνητές του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών Μανώλης Πλειώνης και Γιάννης Γεωργαντόπουλος διοργανώνουν στη Μύκονο, κατά το διάστημα 17-21 Σεπτεμβρίου, το διεθνές επιστημονικό συνέδριο Half a Century of X-ray Astronomy. Στο συνέδριο θα συμμετάσχουν 170 αστροφυσικοί από όλον τον κόσμο, μεταξύ των οποίων και ο «πατέρας» της αστρονομίας ακτίνων-Χ, ο νομπελίστας Ρικάρντο Τζιακόνι. Στο συνέδριο αναμένεται να ανακοινωθούν σημαντικά αποτελέσματα σχετικά με την αλληλεπίδραση των τεράστιων μελανών οπών που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών με τον μητρικό τους γαλαξία αλλά και με άλλους γειτονικούς γαλαξίες. Οι συγκρούσεις μεταξύ των γαλαξιών τροφοδοτούν την κεντρική μελανή οπή με διάχυτη ύλη και αστέρες, πυροδοτώντας έτσι την έκλυση τεραστίων ποσών ενέργειας που παρατηρούμε με τη μορφή ακτινοβολίας-Χ. Οι βαρυτικές διαταραχές που συνοδεύουν τις συγκρούσεις γαλαξιών έχουν ορισμένες φορές ως αποτέλεσμα τη συγκέντρωση τεραστίων ποσών σκόνης και αερίων γύρω από τον γαλαξιακό πυρήνα συσκοτίζοντας την ακτινοβολία που παράγεται από την πρόσπτωση ύλης στη μελανή οπή. Τόσο τα μεγάλα οπτικά τηλεσκόπια όσο και τα υπάρχοντα δορυφορικά τηλεσκόπια ακτίνων-Χ δεν μπορούν να παρατηρήσουν αυτά τα φαινόμενα, για τα οποία είναι αναγκαίες εξειδικευμένες παρατηρήσεις. Τέτοιας μορφής παρατηρήσεις θα πραγματοποιήσει η επόμενη σχετική αποστολή της ΝΑSΑ, ο δορυφόρος NUSTAR, που θα παρατηρήσει το Σύμπαν για πρώτη φορά στις «σκληρές» ακτίνες-Χ, δηλαδή ακτινοβολία της οποίας τα φωτόνια έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από 10.000 ηλεκτρονιοβόλτ.

Επίσης αναμένεται να παρουσιαστούν σημαντικά κοσμολογικά αποτελέσματα βασισμένα στη μελέτη της δομής μεγάλης κλίμακας του Σύμπαντος. Για τη μελέτη της δομής αυτής χρησιμοποιούνται ως «ιχνηλάτες» της κοσμικής ύλης πηγές ακτίνων-Χ, κυρίως γαλαξιακοί πυρήνες που περιέχουν μελανές οπές, καθώς και σμήνη γαλαξιών. Ιδιαίτερα θα παρουσιαστούν αποτελέσματα για το συνολικό ποσό της σκοτεινής ύλης που κυριαρχεί στις μεγάλες δομές του Σύμπαντος, αλλά και για τη μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια, που είναι η αιτία για την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Σημαντική επιβεβαίωση αυτών των μελετών θα πραγματοποιηθεί με τον μελλοντικό δορυφόρο Spectrum-RG/eROSITA, που είναι κοινή αποστολή των διαστημικών υπηρεσιών της Ρωσίας και της Γερμανίας. Ο δορυφόρος αυτός θα κάνει μια επισκόπηση όλου του ουρανού στις ακτίνες-Χ παρατηρώντας πολλές χιλιάδες σμήνη γαλαξιών. Αυτές οι παρατηρήσεις θα μας δώσουν τη δυνατότητα να υπολογίσουμε με καλύτερη ακρίβεια τα ποσά της σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας, που γνωρίζουμε ότι αποτελούν το 96% περίπου της συνολικής ύλης-ενέργειας του Σύμπαντος. 

Πηγή: Βήμα του Χ. Βάρβογλη καθηγητή ΑΠΘ
http://keckobservatory.org/ 
 http://www.astro.noa.gr/~xcosmo/