— Published on 01/09/2014 / Čovjek i svemir 1 (2014. – 2015.).
Pogodna mjesta za učestala astronomska opažanja moraju zadovoljiti nekoliko uvjeta: godišnji broj oblačnih noći treba biti što manji, svjetlosno onečišćenje također što manje, a zrak suh, čist i bez turbulencija. Obično je sve to istodobno ostvareno na visokim planinskim vrhovima. Zapravo, samo na nekima od njih. Današnji veliki astronomski opservatoriji smješteni su upravo na takvim mjestima. Prema navedenom kriteriju, najbolja mjesta na svijetu za smještaj astronomskih opservatorija su: čileanska pustinja Atacama, vrh najvećeg havajskog otoka i vrh kanarskog otoka La Palme. U Atacami se nalazi opservatorij La Silla, na Havajima opservatorij Keck, a na La Palmi opservatorij Roque de los Muchachos. Ni jedno od tih mjesta nije u Europi geografski, no Kanarski otoci su – kao dio Španjolske – politički u Europi. Na kanarskom otoku La Palmi su, 1979. godine, opservatorij započele graditi Španjolska, Švedska, Danska i Velika Britanija. Kasnije su se priključile Njemačka, Italija, Norveška, Nizozemska, i Finska. A od 2009. godine, suvlasnik jednog od teleskopa na La Palmi je i Hrvatska.
Opservatorij – mjesto za znanstveno opažanje
Opservatorij (prema lat. observare: promatrati) posebno je pogodno mjesto na kojem se redovito izvode znanstvena mjerenja ili promatranja zemaljskih ili nebeskih prirodnih pojava. Primjerice, meteorološki opservatorij služi za opažanje pojava u Zemljinoj atmosferi, a seizmološki opservatorij za opažanje pojava u Zemljinoj kori. Konačno, astronomski opservatorij služi za opažanje nebeskih objekata i pojava. Hrvatski naziv za astronomski opservatorij je zvjezdarnica. Doduše, naziv zvjezdarnica se danas najčešće koristi samo u užem smislu, za ustanovu opremljenu optičkim teleskopom koja osim znanstvene ima istaknutu popularizacijsku i obrazovnu ulogu. No, u širem smislu zvjezdarnica je svako mjesto namijenjeno znanstvenom opažanju svemira, primjerice sustav radioteleskopa, svemirska letjelica koja nosi instrument za detekciju rendgenskog zračenja iz svemira ili Čerenkovljev teleskop koji posredno opaža visokoenergijsko kozmičko gama-zračenje.
Ovisno o namjeni, mjesto odabrano za opservatorij mora zadovoljavati određene uvjete. Primjerice, astronomski opservatorij za optičku astronomiju, a isto vrijedi i za visokoenergijsku gama-astronomiju, traži što veći broj vedrih i suhih noći. Razlog je taj što sitne kapljice vode raspršuju vidljivu svjetlost i tako prigušuju promatrani izvor svjetlosti. Oblaci i magla nisu vodena para nego voda – sitne kapljice vode koje djeluju kao raspršivači svjetlosti. Sama vodena para je prozirna, ali njezina kondenzacija na lećama ili zrcalima teleskopa također stvara smetnju opažanju. Nadalje, zrak iznad opservatorija mora biti što čišći. Sitne nečistoće, zvane aerosoli, isto raspršuju vidljivu svjetlost. Aerosoli su čestice manje od mikrometra koje nastaju prirodnim putem, primjerice vulkanskom aktivnošću ili šumskim požarima, ili pak kao rezultat ljudskog djelovanja, primjerice izgaranja fosilnih goriva. Koncentracija aerosoli jako opada s visinom tako da su najviši planinski vrhovi mjesta s najmanjom koncentracijom aerosoli. Također, važan uvjet za astronomski opservatorij je miran zrak, sa što je moguće manje turbulencija. Konačno, ali ne manje važno, svjetlosno onečišćenje treba biti svedeno na minimum. Astronomski opservatorij mora biti dovoljno udaljen od svjetlosti naselja, naročito velikih gradova. Problematična nije samo izravna svjetlost gradova nego i njihova svjetlost koja se reflektira u atmosferi. Sličnu pojavu opažamo nakon zalaska Sunca, kad ono više nije izravno vidljivo, ali atmosfera svijetli još neko vrijeme dok Sunce ne zađe dovoljno duboko ispod horizonta (i tek tada nastupi astronomska noć, odnosno potpuni mrak).
Mjesto najbliže Europi koje najbolje zadovoljava sve navedene uvjete je vrh kanarskog otoka La Palme. Kanarski otoci su, inače, vulkanskog podrijetla, a nalaze se uz sjeverozapadnu obalu Afrike. Njihov je nastanak započeo prije više milijuna godina. Konkretno, smatra se da je La Palma nastala prije tri do četiri milijuna godina te da je aktivnost glavnog vulkana, Taburiente, prestala prije otprilike pola milijuna godina. Međutim, manja vulkanska aktivnost postoji do danas. Od dolaska španjolskih osvajača zabilježeno je sedam vulkanskih erupcija na La Palmi, prva 1470. a zadnja 1971. godine. Osim toga, vulkanska aktivnost kanarskog područja opaža se i kroz česte manje potrese. Zadnji je zabilježen u veljači 2014. godine. Ipak, zapadna strana kaldere Taburiente predstavlja izvrsno mjesto za astronomski opservatorij.
Astronomija na Roque de los Muchachos
Na zapadnoj strani kaldere Taburiente postoji veća zaravan zvana Roque de los Muchachos, što na španjolskom znači "momačka stijena". Potencijal tog mjesta za astronomska opažanja prepoznat je sredinom prošlog stoljeća. Konačno, 1979. godine, svoje su napore ujedinile Španjolska, Švedska, Danska i Velika Britanija te započele izgradnju opservatorija koji je dobio ime po velikoj stijeni na kojoj je smješten: Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM).
Opservatorij Roque de los Muchachos, na La Palmi, zajedno s opservatorijem Teide na drugom kanarskom otoku, Tenerife, čini Sjeverni europski opservatorij (European Northern Observatory, ENO). Taj zajednički je naziv skovan prema Južnom europskom opservatoriju (European Southern Observatory, ESO) kojega su također osnovale europske države u drugoj polovici prošlog stoljeća i koji se također ne nalazi geografski u Europi. Južni europski opservatorij smješten je u sjeverni Čile, a jedan od opservatorija koji čine ESO je, već spomenuti, opservatorij La Silla u čileanskoj pustinji Atacama.
ORM udomljuje desetak teleskopa različitih veličina i namjena, primjerice:
Gran Telescopio CANARIAS (GTC)
GTC, poznatiji kao GranTeCan, najveći je teleskop opservatorija Roque de los Muchachos i svojedobno najveći optički teleskop na svijetu. Tehnološki je vrlo napredan. Primarno mu je zrcalo promjera 10,4 m, ali nije iz jednog dijela nego je segmentirano: građeno je od 36 heksagonalnih komada. Pojedina se zrcala mogu neprekidno podešavati tako da je reflektor uvijek najbolje fokusiran. Ta se tehnologija naziva aktivnom optikom, a koriste ju i teleskopi MAGIC o kojima će više govora biti u idućem poglavlju. GranTeCan opaža objekte na najvećim kozmološkim udaljenostima, a između ostalog traga i za ekstrasolarnim planetima i tamnom tvari.
William Herschel Telescope (WHT)
WHT jedan je od znanstveno najproduktivnijih teleskopa na svijetu. Obuhvaća optičko i infracrveno područje, a primarno mu je zrcalo promjera 4,2 m. Odigrao je važnu ulogu u opažačkoj kozmologiji, konkretno u opažanjima supernova tipa Ia zahvaljujući kojima znamo za ubrzano širenje svemira.
Telescopio Nazionale GALILEO (TNG)
TNG ima primarno zrcalo promjera 3,6 m, najfinije optičke površine ikad izrađene za astronomiju. Pokriva ultraljubičasto, optičko i infracrveno područje. Uglavnom je usmjeren na mala tijela Sunčevog sustava, što je važno za razumijevanje nastanka planetarnih sustava. Osim toga, aktivan je u potrazi za ekstrasolarnim planetima na udaljenostima do 100 godina svjetlosti.
Nordic Optical Telescope (NOT)
NOT pokriva optičko i infracrveno područje. Njegovo primarno zrcalo ima promjer 2,6 m, a najviše se koristi za istraživanje provala gama-zraka (točnije, njihovog naknadnog zračenja u vidljivom dijelu spektra), supernova tipa Ia, Sunčevog sustava te za astroseizmologiju.
Isaac Newton Telescope (INT)
INT je bio prvi teleskop na opservatoriju Roque de los Muchachos. Prenešen na La Palmu, 1979. godine, s Kraljevskog opservatorija Greenwich. Ima primarno zrcalo promjera 2,54 m i naprednu CCD-kameru koja omogućuje širokokutne optičke snimke dubokog svemira. Otkrio je, između ostalog, prvu crnu rupu u našoj galaksiji te veliki prsten zvijezda koji okružuje našu galaksiju.
Liverpool Telescope
Teleskop Liverpool je robotički teleskop (što znači daljinski upravljan, bez stalnih operatera). Obuhvaća optičko i infracrveno područje, a njime se najviše istražuju: promjenjive zvijezde, akrecijski diskovi oko crnih rupa, neutronske zvijezde, bijeli patuljci, kvazari, aktivne galaktičke jezgre, gravitacijske leće i supernove. Posebno je zanimljivo da je jedan dio opažačkog vremena tog teleskopa posvećen javnom obrazovanju, odnosno teleskop dijelom radi kao školski opservatorij.
Mercator
Mercator je kvazi-robotički teleskop s primarnim zrcalom promjera 1,2 m. Koristi se za opažanja pulsirajućih zvijezda, gravitacijskih leća, optičke komponente provala gama-zraka te za astroseizmologiju.
Automatic Transit Circle (ATC)
ATC je mali robotički teleskop koji prvenstveno služi za katalogizaciju zvijezda.
Swedish 1-m Solar Telescope (SST)
SST je najveći solarni teleskop u Europi i najbolji u svijetu što se tiče prostornog razlučivanja. Na površini Sunca može razlučiti detalje veće od 70 km.
Dutch Open Telescope (DOT)
DOT je solarni teleskop promjera 45 cm koji koristi inovativnu tehnologiju za snimanje Sunčeve atmosfere u visokom razlučivanju. Teleskop je otvoren, bez uobičajenog vakuumskog sustava kojim se inače eliminiraju turbulencije uz samu optiku teleskopa. Umjesto vakuumskog sustava koristi zračnu struju – stalni tok zraka koji onemogućuje turbulencije.
SuperWASP
SuperWASP je teleskop sa sofisticiranom robotičkom CCD-kamerom velikog vidnog polja koja svakih 45 minuta skenira cijelo nebo. Premda sam teleskop podsjeća na osu (engl. wasp: osa) ime ipak nije dobio po obliku nego po namjeni: služi za otkrivanje ekstrasolarnih planeta s pomoću tranzita planeta ispred sjajne zvijezde. Količina podataka koju SuperWASP prikuplja je tolika da nakon relativno kratkog vremena podaci postaju javno dostupni – analizirati ih mogu svi zainteresirani.
MAGIC
Konačno, teleskopi MAGIC instrumenti su posebne vrste – nazivamo ih Čerenkovljevim teleskopima. Njima se svemir opaža ne u vidljivoj svjetlosti nego u gama-zrakama najviših energija. S obzirom da su upravo to teleskopi na kojima radi autor, o njima će više riječi biti u nastavku ovog teksta.
Teleskopi MAGIC
Svim teleskopima opservatorija Roque de los Muchachos, osim teleskopima MAGIC, svemir se istražuje u uskom području elektromagnetskog spektra – u vidljivom području, koje kod pojedinih teleskopa dijelom zadire u ultraljubičasti ili infracrveni dio spektra. Teleskopi MAGIC svemir "vide" na skroz drukčiji način – u dijelu elektromagnetskog spektra najmanjih valnih duljina odnosno najviših energija – s pomoću visokoenergijskih gama-zraka. Fotone iz tog područja nije moguće proizvesti na Zemlji, stvaraju ih isključivo kozmički akceleratori. Kao što je uobičajeno i u visokoenergijskoj fizici, takvi se fotoni ne karakteriziraju valnom duljinom ni frekvencijom nego redovito energijom. MAGIC, dakle, opaža kozmičke gama-zrake u energijskom području između 30 GeV do 30 TeV. Elektronvolt, skraćeno eV, je energija koja otprilike odgovara jednom fotonu vidljive svjetlosti, dok giga znači milijarda (G=109), a tera bilijun (T=1012). Primjerice, jedan tipični visokoenergijski foton od 300 GeV (MAGIC svake noći detektira na stotine takvih) ima toliku puta veću energiju od jednog fotona plave svjetlosti (3 eV) koliko je puta plavetni kit (oko 150 tona) masivniji od jednog mrava (1,5 mg).
Akronim MAGIC dolazi od Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes što znači glavni atmosferski Čerenkovljev teleskop za snimanje gama-zraka. Osim gama-zraka, još dvije riječi iz naziva teleskopa zaslužuju preciznije objašnjenje: atmosferski i Čerenkovljev. Pridjev atmosferski ne odnosi se na sam teleskop nego na tehniku opažanja. Naime, visokoenergijske gama-zrake ne prolaze kroz Zemljinu atmosferu (kad bi prolazile, bilo bi to vjerojatno pogubno za većinu života na Zemlji). Ovdje se nameće pitanje: kako uopće teleskop MAGIC opaža gama-zrake kad njih, kao i rendgensko zračenje i većinu ultraljubičastog zračenja, blokira atmosfera? Odgovor je: posredno. Ne izravno, nego s pomoću sekundarnog (i tercijarnog) zračenja koje u visokim slojevima atmosfere potakne primarna visokoenergijska gama-zraka. Dakle, primarna gama-zraka emitirana iz dalekog gama-izvora koja je nesmetano putovala kroz svemir nama nezamislivo dugo, ponekad čak nekoliko milijardi godina, ulijeće u Zemljinu atmosferu i tamo neizbježno prolazi dovoljno blizu neke atomske jezgre dušika ili kisika i doživljava svoj kraj. Ono što se događa možemo opisati kao materijalizaciju, pretvorbu nematerijalne čestice (fotona) u par materijalnih čestica. Stručno se to naziva tvorbom para i ono što gama-zraka najčešće napravi je stvaranje elektrona i pozitrona ogromne kinetičke energije. Energija i zalet (kutna količina gibanja) pritom su, naravno, očuvani.
Elektron i pozitron koje u atmosferi stvara visokoenergijska gama-zraka imaju tako veliku energiju da je njihova brzina veća od brzine svjetlosti u zraku. Nije veća od brzine svjetlosti u vakuumu (što je nezaobilazno ograničenje za materijalne čestice u prostoru), ali je veća od od brzine svjetlosti u zraku. Zahvaljujući tome, kao i činjenici da elektron i pozitron nose električni naboj, događa se pojava koju nazivamo Čerenkovljevim učinkom. Ona je donekle slična zvučnom udaru – zvučnim valovima koje nastaju u situaciji kad se objekt, recimo supersonični avion, giba brže od zvuka. Kod Čerenkovljevog učinka električki nabijena čestica brža od svjetlosti u transparentnom mediju stvara elektromagnetske valove većinom u području vidljive, uglavnom plave, i ultraljubičaste svjetlosti. Dakle, i MAGIC izravno opaža vidljivu (i dijelom ultraljubičastu) svjetlost kao i svi ostali teleskopi opservatorija Roque de los Muchachos.
Ono što gama-zraka u atmosferi napravi je daleko više od jednog para elektron-pozitron. Osim što prolaskom kroz atmosferu taj elektron i pozitron stvaraju Čerenkovljeve fotone, oni stvaraju i nove gama zrake procesom koji nazivamo zakočno zračenje. Te gama-zrake stvaraju opet nove parove elektron pozitron. Tako se, vrlo brzo, broj čestica umnoži doslovno na milijune pa govorimo o pljusku čestica. Sve nabijene čestice brže od svjetlosti u zraku emitiraju Čerenkovljevu svjetlost, a ta svjetlost ima vrlo specifična svojstva: jako je usmjerena (ne odstupa više od 1 stupnja u odnosu na smjer primarne gama zrake) i vrlo kratkotrajna (cijeli Čerenkovljev bljesak traje par milijardinki sekunde).
Čerenkovljeva svjetlost iz pljuska čestica u atmosferi u kameri svakog od dvaju teleskopa MAGIC stvara sliku. Kamera se sastoji od 1039 vrlo osjetljivih i iznimno brzih fotomultiplikatora. Snimljene slike se, u postupku analize, parametriziraju, a na temelju dobivenih parametara, i Monte Carlo simulacija, izdvajaju se događaji koji odgovaraju gama-zrakama te se izračunava njihova energija. Zahvaljujući reflektorima promjera 17 m, sofisticiranim kamerama te brzoj elektronici koja digitalizira dvije milijarde uzoraka u sekundi, MAGIC bilježi oko 300 događaja u sekundi. Većina tih događaja ipak nisu gama-zrake nego kozmičke zrake (protoni visokih energija koji također stvaraju pljuskove čestica i Čerenkovljeve bljeskove u atmosferi). U najboljem slučaju, za jake izvore, otprilike svaki stoti događaj odgovara primarnom gama-fotonu. Ipak, tijekom nekoliko sati opažanja jednog izvora u jednoj noći broj prikupljenih gama-fotona može narasti na par desetaka tisuća.
Opažački program teleskopa MAGIC vrlo je opsežan. Od galaktičkih izvora valja istaknuti ostatke supernova koji zrače u cijelom elektromagnetskom spektru, od radiovalova do visokoenergijskih gama zraka. Njihova emisija u visokoenergijskom području povezana je, pretpostavlja se, s ubrzanjem galaktičkih kozmičkih zraka (visokoenergijskih protona) što je jedno od važnijih pitanja današnje astrofizike. Druga vrsta galaktičkih izvora koje MAGIC istražuje blisko je povezana s prvom. Radi se o pulsarima ili brzorotirajućim neutronskim zvijezdama koje su također "ostatak" eksplozije supernove. Obično pod ostatkom supernove mislimo na vanjske slojeve eksplodirane zvijezde koji se tisućama godina šire u okolni prostor dok je pulsar središnji, kompaktni "ostatak". Jedno od važnijih otkrića teleskopa MAGIC je pulsacija Rakovog pulsara u području visokoenergijskih gama-zraka, što je važno za razumijevanje emisije pulsara.
Od izvangalaktičkih izvora koje opaža MAGIC na prvom su mjestu aktivne galaktičke jezgre. Radi se o kompaktnim središtima dalekih galaksija koja imaju izuzetno snažnu emisiju. Ekstremni primjeri su kvazari koji su toliko snažni izvori da ih u vidljivom području opažamo na najvećim udaljenostima – samom rubu vidljivog svemira. Danas se smatra da su kvazari, kao i ostale vrste aktivnih galaktičkih jezgara, građeni od supermasivne crne rupe, akrecijskog diska i dvaju nasuprotnih relativističkih mlazova čestica i zračenja. Upravo zahvaljujući mlazovima kvazari su vidljivi s najvećih udaljenosti, zato što njihova emisija nije izotropna (jednaka u svim smjerovima, kao kod zvijezde poput Sunca) nego je jako usmjerena.
Visokoenergijsko gama-zračenje iz aktivnih galaktičkih jezgara nije zanimljivo samo zbog razumijevanja tih izvora nego i zato što svemir nije jednako transparentan za cijelo gama-područje. Na višim energijama postaje sve manje transparentan: gama-zrake vrlo visokih energija međudjeluju s niskoenergijskim pozadinskim zračenjem pa njihov intenzitet stoga putem slabi. Pitanje transparentnosti svemira u ovisnosti o energiji gama-zraka izravno je povezano s kozmološkim modelima. Teleskopi MAGIC u dva su navrata obarali rekord najudaljenijeg objekta otkrivenog u visokoenergijskom gama području. Još 2008. godine MAGIC je otkrio kvazar 3C279, čiji pomak crvenome iznosi 0,536 što odgovara udaljenosti od 6,6 milijardi godina svjetlosti. Konačno, krajem srpnja 2014. godine autor je, kao voditelj opažačke grupe teleskopa MAGIC, upravljao opažanjem koje je rezultiralo otkrićem kvazara S3 0218+357, čiji pomak crvenome iznosi čak 0,944 što odgovara udaljenosti većoj od 10 milijardi godina svjetlosti. Analiza tih podataka još traje, no prvi rezultati upućuju da je vidljivost u visokoenergijskom gama-području na takvoj neočekivano velikoj udaljenosti omogućena učinkom gravitacijske leće. Pojava gravitacijske leće bila je predviđena Einsteinovom općom teorijom relativnosti i u optičkom je području potvrđena nebrojeno puta. No, sada je prvi put opažena u visokoenergijskom gama-području.