— Published on 10/03/2015 / Čovjek i svemir 3 (2014. – 2015.).
Ovih se dana očekuje konačna odluka o lokaciji budućeg opservatorija Niz Čerenkovljevih teleskopa (Cherenkov Telescope Array, CTA) vrijednog 200 milijuna eura. Traže se zapravo dvije lokacije, jedna na sjevernoj, a druga na južnoj Zemljinoj polutci. Popis kandidata na južnoj polutci sveo se na južnu Namibiju i čileansku pustinju Atacama. Na sjevernoj su polutci u igri još četiri lokacije: dvije u Sjedinjenim Američkim Državama, jedna u Meksiku i jedna u Španjolskoj. U razmatranje se uzima cijeli niz faktora: od tipičnih vremenskih prilika i seizmološkog rizika do političke stabilnosti i financijske potpore zemlje domaćina. Izgradnja opservatorija počet će ove godine, a rad punim kapacitetom oko 2020.
Visokoenergijska gama-astronomija
Gama-astronomija je opažanje kozmičkih gama-zraka, dijela elektromagnetskog spektra najviših energija – iznad 100 keV. Za usporedbu, foton vidljive svjetlosti ima energiju otprilike 1 eV što odgovara 1,6 · 10−19 J. Znači, energija gama-fotona veća je od energije fotona vidljive svjetlosti barem sto tisuća puta. No, to je tek donja energijska granica gama-područja. Sve gama-zrake energija od 100 keV do 100 MeV (gdje je M=106 ) pripadaju gama-području niskih energija. Od 100 MeV do 100 GeV (gdje je G=109 ) je gama-područje visokih energija. Konačno, gama-zrake energija od 100 GeV do 100 TeV (gdje je T=1012 ) pripadaju području vrlo visokih energija. Elektromagnetski spektar se, naravno, nastavlja i iznad 100 TeV, no to je područje izvan dosega Čerenkovljevih teleskopa pa se ovdje njime ne bavimo. Gama-zrake visokih energija detektiraju se instrumentima na satelitima, a one vrlo visokih energija detektiraju se indirektno posebnim teleskopima koje nazivamo Čerenkovljevim teleskopima. Visokoenergijska gama-astronomija je, dakle, opažanje kozmičkih gama-zraka visokih i vrlo visokih energija.
Prvi sateliti za opažanje kozmičkih gama-zraka bili su SAS-2, koji je opažao od 1972. do 1973. godine, i COS-B, koji je opažao od 1975. do 1982. godine. Značajan skok u razvoju gama-astronomije dogodio se zahvaljujući teleskopu EGRET kojega je nosio satelit CGRO i koji je bio aktivan od 1991. do 2000. godine. Trenutno djeluju četiri gama-satelita: INTEGRAL lansiran 2002., SWIFT lansiran 2004., AGILE lansiran 2007. te daleko najvažniji među njima, Fermi koji je bio lansiran 2008. godine. Fermi ili FGST (Fermi Gamma-ray Space Telescope) osjetljiv je u području od 20 MeV to 300 GeV, s tim da mu osjetljivost naglo pada prema gornjoj energijskoj granici. Razlog tome je eksponencijalni pad toka kozmičkog gama-zračenja s energijom. S relativno malom detekcijskom površinom, od otprilike 1 m 2 , satelit Fermi rijetko uspijeva detektirati gama-zrake iznd 100 GeV. No, baš se u tom energijskom području nalazi donja detekcijska granica Čerenkovljevih teleskopa.
Za razliku od instrumenata na satelitima koji gama-zrake detektiraju izravno, Čerenkovljevi teleskopi opažaju tek sekundarne čestice koje u atmosferi stvara primarna gama-zraka. Oni, dakle, gama-zrake detektiraju neizravno. Kozmički gama-fotoni vrlo visokih energija, koji ogromne galaktičke ili izvangalaktičke prostore mogu proći nesmetano, upadom u Zemljinu atmosferu međudjeluju s atomskom jezgrom dušika ili kisika. U električnom polju jezgre ti se fotoni pretvaraju u par čestica-antičestica, najčešće elektron-pozitron. Mogli bismo reći da se materijaliziraju jer dio njihove velike energije odlazi u masu novonastalih čestica. Ostatak energije prelazi u kinetičku energiju tih čestica. Elektron i pozitron koje je na taj način proizvela primarna gama-zraka dobiju dovoljno veliku energiju da stvaraju nove gama-zrake, nižih energija od primarne gama-zrake, koje opet stvaraju nove parove elektron-pozitron. Konačno, u kratkom vremenu nastane toliko sekundarnih čestica da se njihov učinak može opaziti teleskopom smještenim na tlu. Cjelokupnu pojavu nazivamo pljuskom čestica u atmosferi. Svaka kozmička gama-zraka vrlo visoke energije stvori jedan pljusak čestica u atmosferi. Slične pljuskove stvaraju i kozmičko zrake – nabijene atomske jezgre, uglavnom protoni. Takve pljuskove nazivamo hadronskim pljuskovima.
I hadronski i gama-pljuskovi sadrže veliki broj nabijenih čestica koje se kroz atmosferu gibaju brzinom većom od brzine svjetlosti u zraku. Zato te čestice u zraku stvaraju posebnu vrstu svjetlosti koju nazivamo Čerenkovljevim zračenjm. Bljesak Čerenkovljevog zračenja iz pljuska čestica u atmosferi je vrlo slab i kratkotrajan, ali jako usmjeren pa se zato može razlučiti od pozadinske svjetlosti noćnog neba. To je, naravno, lako reći, ali je jako teško ostvariti. Trebalo je više od trideset godina napornog rada na razvoju detekcijskih tehnika kako bi se Čerenkovljevim teleskopom uspijelo detektirati prvi kozmički gama-izvor u području vrlo visokih energija. Ostvareno je to 12-metarskim teleskopom Whipple, 1989. godine. Prvi detektirani izvor bio je galaktički: ostatak supernove Rakova maglica. Istim je teleskopom, 1992. godine, opažen i prvi izvangalaktički izvor visokoenergijskog gama-zračenja: blazar Markarjan 421.
Od 1987. do 2002. na kanarskom otoku La Palmi djelovao je eksperiment HEGRA (High-Energy-Gamma-Ray Astronomy) koji je, među ostalim instrumentima, imao i niz od šest 4-metarskih Čerenkovljevih teleskopa. Bila je to prva stereoskopska primjena Čerenkovljeve tehnike. Osobno sam imao priliku sudjelovati u jednom od zadnjih opažanja teleskopima HEGRA te u rastavljanju tih teleskopa. Iz kolaboracije HEGRA proizaše su dvije velike kolaboracije koje su aktivne i danas: MAGIC na La Palmi i H.E.S.S. u Namibiji. MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes) je sustav od dva 17-metarska Čerenkovljeva teleskopa koji opaža kozmičke gama-zrake u području od par desetaka GeV do par desetaka TeV. Djeluje od 2003. godine. Iste je godine s radom započeo i H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) koji se sastoji od četiri 12-metarska Čerenkovljeva teleskopa i jednog 28-metarskog Čerenkovljevog teleskopam, koji je bio pridodan 2012. godine. H.E.S.S. je osjetljiv u području od 30 GeV to 100 TeV. I treća velika danas aktivna kolaboracija je VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), koja je proizašla iz kolaboracije Whipple. VERITAS se nalazi u Arizoni, a sastoji se od četiri 12-metarska Čerenkovljeva teleskopa. Osjetljiv je u području od 50 GeV do 50 TeV. Sve tri kolaboracije ostvarile su niz impresivnih rezultata u zadnjih desetak godina te visokoenergijsku gama-astronomiju afirmirale kao novu granu astronomije i daleko najproduktivnije područje astročestične fizike.
Niz Čerenkovljevih teleskopa (CTA)
Kolaboracije MAGIC i H.E.S.S. predložile su, još 2006. godine, zajednički koncept iduće generacije teleskopa za visokoenergijsku astronomiju – Niz Čerenkovljevih teleskopa (Cherenkov Telescope Array, CTA). Otprilike u to doba, 2008. godine, kolaboracija VERITAS počela je pripremati sličan plan – AGIS (Advanced Gamma-ray Imaging System). AGIS je trebao biti niz od 20 do 100 Čerenkovljevih teleskopa, no taj projekt nije dobio očekivanu financijsku potporu u Sjedinjenim Američkim Državama pa se kolaboracija AGIS naprosto pridružila kolaboraciji CTA. Tako je CTA postao zajedničkim projektom svih triju trenutno postojećih kolaboracija okupljenih oko Čerenkovljevih teleskopa. Planirani broj Čerenkovljevih teleskopa isti je i za CTA, od 20 do 100, s tim da će postojati tri različite veličine teleskopa: veliki, srednji i mali.
Konzorcij CTA danas ima više od 1000 znanstvenika iz više od 170 institucija iz 28 zemalja: Argentine, Armenije, Australije, Austrije, Brazila, Bugarske, Češke, Finske, Francuske, Grčke, Hrvatske, Indije, Irske, Italije, Japana, Južnoafričke Republike, Meksika, Namibije, Nizozemske, Norveške, Njemačke, Poljske, Sjedinjenih Američkih Država, Slovenije, Španjolske, Švedske, Švicarske i Velike Britanije. Hrvatska u CTA trenutno ima osam znanstvenika: trojicu članova sa Sveučilišta u Splitu, troje članova s Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu i dvije članice sa Sveučilišta u Rijeci.
U odnosu na tri postojeća sustava Čerenkovljevih teleskopa, CTA će obuhvatiti nešto veće energijsko područje: od par desetaka GeV do 100 TeV. No, ono što je važnije: imat će osjetljivost za red veličine veću od sadašnjih Čerenkovljevih teleskopa. Broj kozmičkih objekata koji su dosad otkriveni kao gama-izvori vrlo visokih energija je oko 150. Očekuje se da CTA taj broj podigne iznad 1000. Cijeli bi projekt trebao koštati oko 200 milijuna eura i sastojati se zapravo od dva niza Čerenkovljevih teleskopa, po jednim na svakoj Zemljinoj polutci. Zanimljivo je da ta dva niza teleskopa neće biti klonovi koji samo gledaju druge dijelove svemira. Naprotiv, bit će prilično različiti. Na sjevernoj se hemisferi planira postaviti manji broj većih teleskopa, njih 19. Na južnoj se pak hemisferi planira veći broj manjih teleskopa, njih čak 99. Za sjeverni koncept zalaže se MAGIC, a za južni H.E.S.S. tako je da prilično izvjesno da dva dijela CTA budu smješteni u njihovim "dvorištima": sjeverni CTA na Kanarskim otocima, a južni u Namibiji. Konačna odluka o lokaciji očekuje se upravo ovih dana, nakon čega bi trebala početi izgradnja i testiranje prototipova Čerenkovljevih teleskopa sve tri veličine.
Znanstveni potencijal CTA
Postoji temeljna razlika između visokoenergijskog kozmičkog gama-zračenja i elektromagnetskog zračenja koje kozmički objekti emitiraju u nižim dijelovima spektra. Gama-zrake u području GeV, a pogotovo u području TeV, ne mogu nastati termičkom emisijom. Naprosto, u svemiru ne postoje objekti koji bi bili dovoljno vrući da bi emitirali visokoenergijske gama-zrake. Što znači da visokoenergijske gama-zrake nastaju drukčijim mehanizmima od zračenja crnoga tijela. Zato su visokoenergijske gama-zrake glasnici netermičkog svemira te donose informacije o procesima i objektima koji su bitno različiti od tipičnih zvijezda poput Sunca.
Gama-zrake vrlo visokih energija, u načelu, mogu nastati na dva bitno različita načina. Za te scenarije koristimo nazive: bottom-up i top-down. Bottom-up, ili odozdo prema gore, označava skup procesa u kojima gama-zrake nastaju od čestica koje su prvobitno imale malu energiju, ali su onda ubrzane do vrlo visokih energija, primjerice u udarnom valu eksplozije supernove. Top-down, ili odozgo prema dolje, označava skup procesa u kojima gama-zrake nastaju od čestica koje su prvobitno imale vrlo visoku energiju, primjerice u raspadima hipotetskih čestica tamne tvari ili kozmičkih struna, u oba slučaja objektima koji su nastali neposredno nakon velikog praska.
Galaktički izvori visokoenergijskih gama-zraka koji se planiraju istraživati s Nizom Čerenkovljevih teleskopa su: ostaci supernova, pulsari i maglice pulsarovog vjetra, područja nastanka novih zvijezda, galaktički centar, dvojni rendgenski izvori i mikrokvazari te zasad nepoznati izvori koji se pojave pri pretraživanju neba s CTA. Od izvangalaktičkih izvora visokoenergijskih gama-zraka u prvom su planu aktivne galaktičke jezgre, zatim izvangalaktička pozadinska svjetlost, provale gama-zraka (Gamma-Ray Burst, GRB) te skupovi galaksija. U području fundamentalne fizike ključne su teme naravno tamna tvar, zatim kvantna gravitacija i kozmičke zrake. I na kraju, CTA se planira koristiti i za istraživanja kojima se ranije generacije Čerenkovljevih teleskopa nisu mogle baviti - za dobivanje optičkih slika površina zvijezda, tisuću puta oštrijih od onih koje može snimiti teleskop Hubble. To će se moći ostvariti zahvaljujući tehnici nazvanoj interferometrija intenziteta za koju je potrebna ogromna detekcijska površina i vrlo brzi detektori, a to je upravo ono što će CTA imati.