— Published on 19/10/2015 / Bug.hr.
Prošli je tjedan na opservatoriju Roque de los Muchachos na kanarskom otoku La Palmi održana ceremonija polaganja kamena temeljca za LST (Large Scale Telescope) - najveći Čerenkovljev teleskop koji će imati promjer 23 metra. Radi se o prototipu teleskopa velikih razmjera koji će biti tek jedan od više desetaka teleskopa u postavu nazvanom CTA (Cherenkov Telescope Array), vodećem opservatoriju za visokoenergijsku gama-astronomiju u idućih dvadesetak godina. Visokoenergijska gama-astronomija je trenutno najmlađa grana astronomije, a svemir istražuje opažanjem gama-zračenja najviših energija, posebnim instrumentima koje nazivamo Čerenkovljevim teleskopima. Postojeći sustavi takvih teleskopa – MAGIC na La Palmi, H.E.S.S. u Namibiji i VERITAS u Arizoni – već su treća generacija teleskopa te vrste. CTA će biti četvrta generacija, s deset puta većom osjetljivošću u odnosu na današnje Čerenkovljeve teleskope. Otprilike deset puta veća bit će i cijena opservatorija u odnosu na neki od postojećih (150 milijuna eura za CTA-sjever u usporedbi s 15 milijuna eura za MAGIC). I broj ljudi u kolaboraciji bit će veći za red veličine: približno 1500 istraživača u CTA, u usporedbi s približno njih 150 u kolaboraciji MAGIC. Bit će to, definitivno novo doba za visokoenergijsku gama-astronomiju.
Visokoenergijsko gama-zračenje
Gama-zračenje je svjetlost posebne vrste. Vidljiva svjetlost, ona koju opažamo golim okom i optičkim instrumentima, tek je jedna od mnogih vrsta svjetlosti koje postoje u prirodi. Doduše, stručni termin nije "vrsta svjetlosti", nego "područje elektromagnetskog spektra". Nazivi područja, ili barem većina tih naziva, široj su javnosti dobro poznati: radiovalovi, mikrovalovi, infracrveno zračenje, vidljiva svjetlost, ultraljubičasto zračenje, rendgensko zračenje i gama-zračenje. Manje je poznato da se radi o istom fenomenu kod kojeg je različito samo jedno svojstvo. To svojstvo možemo opisati jednom od tri fizičke veličine: valnom duljinom, frekvencijom ili energijom. Te tri veličine nisu neovisne – znamo li jednu, možemo izračunati druge dvije. Zato je za opis područja dovoljna samo jedna. U gama-astronomiji je izbor pao na energiju.
Najmanji djelić, ili foton, vidljive svjetlosti ima energiju otprilike jedan elektronvolt. Neću ulaziti u definiciju elektronvolta. Naprosto, radi se o jedinici za energiju koja je prikladna za mikrosvijet. U ovom su kontekstu važni samo relativni odnosi. Foton ultraljubičaste svjetlosti, primjerice, ima energiju otprilike između 10 i 100 elektronvolti. Foton rendgenskog zračenja ima energiju između 100 i 100 tisuća elektronvolti, a foton gama-zračenja od 100 tisuća elektronvolti pa naviše. Gama-zračenje je, dakle, barem 100 tisuća puta energetskije od vidljive svjetlosti. No, to je tek početak gama-područja. Gama-foton koji ima između 100 tisuća i 100 milijuna elektronvolti pripada gama-području niskih energija. Takvi fotoni nastaju u radioaktivnim raspadima i njihovi izvori postoje na Zemlji. Gama-foton koji ima između 100 milijuna i 100 milijardi elektronvolti pripada gama-području visokih energija. Izvora takvih fotona nema na Zemlji, ali ih ima u svemiru. Postoje kozmički izvori koji ih emitiraju, a možemo ih opažati posebnim detektorima na satelitima. Konačno, gama-foton koji ima između 100 milijardi i 100 bilijuna elektronvolti pripada gama-području vrlo visokih energija. Znamo za kozmičke objekte i procese u kojima takvo ekstremno zračenje nastaje, a znamo ga i opažati posebnim teleskopima na tlu. Radi se o Čerenkovljevm teleskopima kao što su teleskopi MAGIC ili kao što će biti teleskopi CTA.
Pljuskovi čestica u atmosferi
Kozmičko gama-zračenje, kao ni rendgensko zračenje ni većina ultraljubičastog zračenja iz svemira, na našu sreću ne prodire kroz atmosferski omotač. Ulaskom u atmosferu fotoni tako velikih energija nalete, već u visokim i rijetkim slojevima, na neku atomsku jezgru dušika ili kisika i u njezinom polju transformiraju se u par čestica-antičestica, najčešće elektron-pozitron. Mogli bismo reći da se čista energija, jer foton je čestica bez mase, materijalizirala – nastale su čestice s masom. No, to je tek početak dramatičnih događaja u atosferi. Novonastale čestice imaju ogromnu energiju i dalje stvaraju nove čestice, koje pak stvaraju nove čestice i tako dalje sve dok energija pojedine čestice ne padne ispod kritične vrijednosti. Tada se umnažanje zaustavlja. Pojavu nazivamo pljuskom čestica u atmosferi.
Čerenkovljevi teleskopi
U gama-području vrlo visokih energija dio čestica iz tih pljuskova dopire do dna atmosfere odnosno do površine Zemlje. Osim toga, puno čestica u takvom pljusku nosi električni naboj i ima brzinu koja je veća od brzine svjetlosti u zraku. Nije veća od brzine svjetlosti u vakuumu, ali je veća od brzine svjetlosti u zraku. Pod tim uvjetima nastaje još jedan sekundarni učinak u atmosferi – Čerenkovljevo zračenje. To Čerenkovljevo zračenje pripada ultraljubičastom i jednim dijelom vidljivom području. Kod nuklearnih reaktora hlađenih vodom Čerenkovljevo zračenje se opaža kao sablasno plavičasta svjetlost koja izvire iz same vode. Takva svjetlost postoji i u atmosferi, i dalju i noću, samo je preslaba da bismo ju opazili golim okom. Čak i u najmračnijoj noći oko nije dovoljno osjetljivo da bi registriralo te slabe i iznimno kratkotrajne bljeskove Čerenkovljeve svjetlosti u atmosferi. No, ono što ne može ljudsko oko može posebna kamera. Dvadesetak godina razvijane su metode i instrumentacija za opažanje Čerenkovljeve svjetlosti koju u atmosferi stvara kozmičko gama-zračenje vrlo visokih energija. Prvi izvor takvog zračenja, rakova maglica, otkriven je 1989. godine. Do danas je poznato više od 150 izvora visokoenergijskog gama-zračenja, a trenutno je aktivna treća generacija Čerenkovljevih teleskopa.
Visokoenergijska gama-astronomija
Čerenkovljevim teleskopa opažamo gama-zračenje vrlo visokih energija iz raznih kozmičkih izvora, galaktičkih (primjerice iz ostataka supernova i pulsara) te izvangalaktičkih (primjerice iz aktivnih galaktičkih jezgara). No, ta opažanja nisu sama sebi svrhom. Njihov je cilj prikupljanje informacija o astrofizičkim procesima u kojima takvo zračenje nastaje. Drugim riječima, gama-zrake donose informacije o ekstremnoj naravi svemira, o egzotičnim objektima i pojavama koje nisu vidljive, ili su tek djelomično vidljive, u drugim dijelovima elektromagnetskoga spektra. Za potpunu sliku spomenutih kozmičkih objekata danas se obično kombiniraju opažanja u raznim dijelovima spektra, od radiovalova do gama-zraka, što nazivamo viševalnim prisupom.
Postav Čerenkovljevih teleskpa (CTA)
Istraživači iz sve tri postojeće kolaboracije Čerenkovljevih teleskopa (MAGIC, H.E.S.S. i VERITAS) ujedinili su svoje napore da zajednički izgrade opservatorij sa stotinjak Čerenkovljevih teleskopa četvrte generacije. Postav Čerenkovljevih teleskopa (CTA) sastojat će se od stotinjak teleskopa raspoređenih u dva opservatorija: sjeverni, na La Palmi u Španjolskoj i južni, u Paranalu u Čileu. Cijeli je projekt vrijedan oko 300 milijuna eura, a u njemu trenutno sudjeluje oko 1500 znanstvenika i inženjera s pet kontinenata i 30 zemalja.
Teleskop velikih razmjera (LST) kao prvi teleskop CTA
Priprema projekta CTA počela je prije gotovo deset godina. Nedavno polaganje kamena temeljca, kao simbolični početak gradnje prvoga teleskopa, tek je otprilike pola puta do krajnjeg cilja – punog pogona cijelog teleskopskog sustava. Oba opservatorija, sjeverni i južni, imat će više desetaka teleskopa u tri različite veličine: velike, srednje i male. Postoje dobri razlozi zašto se ide na više teleskopa različitih veličina, ali ti razlozi izlaze iz opsega ovog teksta. Važno je, međutim, spomenuti da najveći izazov predstavlja upravo teleskop velikih razmjera (LST), koji će imati reflektor promjera 23 metra i kameru promjera 3 metra. Njegova izgradnja i testiranje trajat će najdulje pa je, razumljivo, odabran kao kao prvi teleskop CTA.
Uloga hrvatske grupe u LST-CTA
Hrvatski znanstvenici koji su dosad radili na teleskopima MAGIC nedavno su dobili pojačanje: dvoje doktoranada i, što je posebno važno, nekoliko visokospecijaliziranih inženjera. Cijeli domaći tim svoje je snage rasporedio na nekoliko zadataka vezanih uz LST. Trenutno se najviše radi na posebnoj kameri za precizni nadzor položaja glavne kamere LST-a, na razvoju softvera za kontrolu kvalitete podataka i cjelokupnog detektorskog sustava te na Monte Carlo simulacijama koje su neophodne za odluku o konačnom broju i rasporedu teleskopa.