Nye grænser for teleskoper
Videnskabsfolk på NASA's Marshall Space Flight Center har taget de første billeder af fokuserede hårde røntgenstråler fra verdensrummet.
Oversat til dansk af Torsten Bondo
7.
juni 2001 - Siden 1931, da Karl Jansky ved et tilfælde opfandt
radioteleskopet, har astronomer gentagne gange observeret, at det menneskelige
øje kun ser en lille del af strålingen fra verdensrummet. Radioteleskoper,
infrarøde og ultraviolette detektorer, røntgen- og gammastrålesatelliter har
givet os detaljer om et kosmos, der myldrer med eksotiske objekter som sorte
huller og pulsarer; objekter der ikke kan ses med optiske teleskoper. Faktisk
har hele det elektromagnetiske spektrum leveret den ene overraskelse efter den
anden til astronomerne.
Men nu siger astronomerne, at vi skal forberede os på endnu en overraskelse. Sidste måned har videnskabsfolk på NASAs Marshall Space Flight Center (MSFC) åbnet et nyt bølgelængdebånd til højsensitive astronomimålinger: "hårde" røntgenstråler.
Foroven: Det første fokuserede billede i hård røntgenstråling af Cygnus X-1 (foto: MSFC HERO team)
"Det er virkeligt kun det første skridt" siger Brian Ramsey, lederen af MSFC team - "men det er et stort skridt". Ramsey og hans kolleger (ingeniørerne Jeff Apple, Kurtis Dietz og andre) har brugt et revolutionerende teleskop, der flyder på en ballon 40 km over Jordens overflade, til at tage de fokuserede billeder i hård røntgenstråling af Cygnus X-1 (et sort huls omkringliggende disk) og af en pulsar i Krabbetågen (resterne af en supernovaeksplosion) . De er de første af den slags billeder, der er taget af et objekt i verdensrummet.
"Det er et historisk øjeblik", siger Martin Weisskopf, projektforsker for NASAs Chandra X-ray Observatory. "At opsamle de første hårde fokuserede røntgenstrålebilleder er en milepæl".
Hårde røntgenstråler er fotoner med omtrent den samme energy som de røntgenstråler, der bliver anvendt i medicinalindustrien, dvs. 10 keV eller ~20.000 gange mere energirige fotoner end de fra synligt lys. Disse røntgenstråler kan afsløre nogle af de mest voldelige fænomener i Universet, f.eks. kolliderende galakser, stjerneeksplosioner og varme skiver der roterer omkring sorte huller. Astronomer har tidligere opsendt hård-røntgenstråledetektorer, men indtil nu er det ikke lykkedes forskerne at fokusere strålingen tilstrækkeligt til at kunne producere skarpe billeder med høj opløsning.
"Det
er meget vanskeligt at fokusere hård røntgenstråling, da den bliver
absorberet af traditionelle linser og spejle," forklarer Ramsey. " Den
enste måde at fokusere hård røntgenstråling på er at lade strålerne
reflektere under en lille vinkel - "det er ligesom at smutte med sten over
vandet. Det lykkes kun at smutte stenen (eller fotonen) ved en meget lille
indfaldsvinkel. "Reflektionsvinklen for røntgenspejle er kun et par
bueminutter" siger Ramsey. " Det er derfor røntgenspejle har form som
aflange cylindere.
Foroven: Et røntgenspejl med indfaldende stråling.
"Det vigtigste når man fokuserer røntgenstråler er ikke alene muligheden for at producere detaljerede billeder, men også at få høj detektorsensitivitet", fortsætter Ramsey. "Lad os antage, at vi sender en 1.000 kvadratcentimeter stor detektor på en højflyvningsballon, og lader den pege mod Krabbetågen. Vi ville da være i stand til at måle 50 hårde røntgenfotoner pr. sekund fra tågen. Samtidig ville detektoren også hvert sekund rammes af tusinder af uønskede baggrundsfotoner (røntgenstråler, der dannes, når den kosmiske baggrundsstråling rammer Jordens atmosfære). Det er et dårligt signal-støj-forhold."
"Røntgenstrålespejle har den fordel, at de tager alle fotoner fra kilder som Krabbetågen og fokuserer dem til et lille område. Signal-støj-forholdet bliver derved betragteligt bedre. Faktisk er det sådan, at jo bedre spejlets vinkelopløsning er, desto bedre bliver signal-støj-forholdet. Derfor er gode spejle meget vigtige."
Til
højre: Tre "masseproducerede" HERO røntgenstråle-spejlskaller
(til højre i billedet) og en sammenlagt gruppe af spejle i en cylinder (til
venstre i billedet). Foto: Carl Benson, MSFC. [forstør]
"Røntgenspejle baseret på indfaldende stråling under lille vinkel er sådan set ikke noget nyt. Et røntgenspejl ombord på NASAs Chandra observatorium fokuserer "bløde" røntgenstråler og producerer billeder med en opløsning under buesekunder, hvilket er bedre end et hvilket som helst andet jordbaseret optisk teleskop", siger Ramsey. "Men himlen er endnu næsten er uudforsket i hård røntgenstråling, da man hidtil ikke har haft spejle, som fungerede for energier mindre end 10 keV."
Hvorfor ikke?
Ramsey forklarer:" Ved hårde røntgenstråle-energier er indfaldsvinklen for en god reflektion så lille, at et enekelt spejl ikke giver nok dækningsareal. Den eneste måde at samle nok fotoner på til et godt billede er at anvende mange spejle." Førhen var det meget dyrt og svært.
Det er det ikke længere. Ramsey og hans team har anvendt en kopieringsteknik til at masseproducere økonomisk rentable høj-præcisions røntgenstrålespejle. Spejle som kan overlagres inde i hinanden og derved øge opsamlingsarealet. "Vi kalder programmet Høj Energi Replikations Optik - eller HERO", siger Ramsey. Replikationsteknikken virker på denne måde: spejlbyggerne damper en nikkelblanding på en overflade af aluminium, der har form som et røntgenstrålespejl. Dernæst køler de nikkeloverfladen af. Aluminium trækker sig mere sammen end nikkel, så nikkeloverfladen, der nu er i form af et HERO spejl, glider af. Tilsidst dampes spejlet med iridium, som er et tykt metal, der reflekter røntgenstråler bedre end andre legeringer.
Tidligere i år har holdet samlet et dobbeltløbet røntgenstråleteleskop bestående af to spejle samlet med tre skaller hver. Det bestod laboratorietestene med glans, men det var ikke nok. Et røntgenstrålesteleskop på Jorden er som et kamera med låg på. "Kosmiske stråler når ikke Jordens overflade", forklarer Ramsey, "fordi vores atmosfære er uigennemtrængelig for højenergistråling." Det var på tide at tage ud i rummet - eller i hvert fald så tæt på som muligt.
Til venstre: Det stjernesøgende kamera (med beskyttelse) og de to røntgenstrålespejle, der fløj ombord på HEROs testflyvning i maj 2001. Foto: Carl Benson, MSFC. [forstør]
Den 23. maj i år sendte the National Scientific Balloon Facility HERO-holdets innovative teleskop op fra Fort Sumner i New Mexico, ombord på en heliumfyldt ballon. Nyttelasten steg til 40 kilometers højde (oven over 99.7% af Jordens atmosfære) hvor himlen er mere synlig for hårde røntgenstråler.
Det virkede perfekt, siger Ramsey. Hvert af HERO spejlene fokuserer hårde røntgenstrålefotoner fra Krabbetågen og Cygnus X-1 ind på en plet med en diameter på 0,7 mm. " Selv på trods af et opsamlingsareal på kun 4 cm2 har spejlene samlet rigeligt med fotoner fra disse kilder. Vi har opnået næsten den samme følsomhed, som en 1.000 cm2 stor detektor uden fokuserende spejle ville opnå," siger Ramsey.
"Vores spejle var ikke det eneste gennembrud", tilføjer han. "Vi har også udviklet et optisk kamera, der kan spore stjerner ned til 9. størrelsesklasse i fuldt dagslys". Med sådant et kamera til at spore stjernerne kunne røntgenstrålespejlene, der er placeret på en bevægelsesstyret platform i ballonens gondol, forblive nøjagtigt fokuseret i flere timer ad gangen." Vi ville prøve at bevise, at vi kunne pege på stjernerne fra en bevægende platform og stadigvæk få fuld opløsning i optikken - og det klarede vi", siger Ramsey.
"Det
er vigtigt," fortsætter han, "fordi balloneksperimenter er så meget
billigere end eksperimenter i rummet". NASA er da også begyndt at arbejde
hen imod ultralangtids ballonflyvninger i "nær-rummet",
planlagt til at blive oppe i 200 til 300 dage. Med så meget tid oppe kan
balloner sagtens konkurrere med satelitter i kredsløb, og det til en brøkdel
af det beløb, det koster at sættte en satellit i kredsløb.
Til højre: På Jorden dagen før opsendelsen. Ramseys team tester gondolens pegemekanisme. Foto: Carl Benson, MSFC. [forstør]
"Selvom resultaterne er meget spændende, er det hidtil kun et bevis for at konceptet fungerer", siger Ramsey. "I de næste to-tre år håber Ramseys hold på at flyve en ballon med 240 røntgenstrålespejle. Dette teleskop kan registrere fotoner med energier op til 75 keV, og det vil producere billeder med en opløsning på 15 buesekunder ". (Eksperimentet i maj fløj med 6 spejlskaller og kunne registrere fotoner med energier op til 50 keV med en opløsning på 45 bueskunder).
Hvad vil det spejl se? "Vi ved det ikke", siger Ramsey. Der er en hel ny himmel deroppe som venter på at blive detekteret af holdet fra HERO.
Redaktørens note: HERO udforsker den del af det elektromagnetiske spektrum der bliver kaldt "hårde røntgenstråler". Det er uheldigt at både hårde og bløde røntgenstråler bliver kaldt røntgenstråler, fordi de er så fundamentalt forskellige. Hårde røntgenstråler er typisk 10 gange mere energirige end de bløde. Til sammenligning varierer det synlige spektrum fra røde fotoner til violette fotoner kun med en faktor 3 i energi.
HERO ballonen bar også et par højenergi detektorer fra Harvard College Observatoriet, som en del af et langtidssamarbejde mellem MSFC og Harvard. For mere information om dette eksperiment læs Harvards Exite home page.
| Weblinks |
|
High-Energy Replicated Optics - HERO - programhjemmeside ved Marshall Space Flight Center HERO fotografier - Se flere billeder fra det nyeste HERO eksperiment fra NASA/Marshall PAO. Ultra-Long Duration Balloon Project - Fremtidige HERO missioner vil måske blive fragtet ud i nær-rummet om bord på en af disse innovative balloner, som NASA er ved at udvikle. National Scientific Balloon Facility - NSBF påtager sig at opsende højtflyvende (60 km) forskningsballoner, tracking, og indsamling af de videnskabelige eksperimenter, som hænger nedenunder dem, for universiteter og NASA-centre over hele verden. HERO vil give os et nyt syn på røntgen-universet - Science@NASA-historie - Røntgenastronomer i det 21. århundrede vil måske bruge en masseproduceret HERO til at fotografere himlen ved højere energier end de bedste teleskoper kan i dag. Røntgenobservatoriet Chandra - Chandra er et af NASAs store observatorier, og bruger lille-vinkel indfaldsspejle til at udforske den bløde røntgenstråling Cygnus X-1 - lær mere om dette berømte sorte hul fra NASA Goddards "Imagine the Universe" website. Den pulsar-drevne Krabbetåge - I sommeren 1054 rapporterede kinesiske astronomer, at en stjerne i konstellationen Tyren pludselig blev så klar som fuldmånen. Lysstyrken aftog gradvist i løbet af et år. I dag ved vi, at det var en spektakulær supernovaeksplosion - detonationen af en massiv stjerne, hvis rester vi nu ser som Krabbetågen. |
Denne side er sidst opdateret 5. maj 2003