PHSP Pozorovanie GRB aj amatérskymi ďalekohladmi

Pozorovanie optických dosvitov zábleskov žiarenia gama je dnes možné aj na amatérskej úrovni. Hoci sa jedná o novinku v modernej astronómií, nie je už doménov len veľkých prístrojov a špecializovaných observatórií. V dnešnej dobe technické vybavenie a schopnosti amatérskych astronómov a ľudových hvezdární stúpajú neuveriteľnou rýchlosťou. Používanie CCD kamier sa stalo samozrejmosťou aj medzi amatérmi a pripojenie na internet má v dnešnej dobe už takmer každý. To čo bolo pred desiatimi rokmi ešte len sci – fi sa dnes už pomaly stáva realitou. Pozorovanie dosvitov GRB nie je zatiaľ medzi amatérskymi astronómami veľmi populárne. Jedná sa o novinku, prvé pozorovanie tohto typu je staré len niečo menej ako 10 rokov. Pričom ide o časove nenáročné pozorovanie, ktoré sa dá prevádzať ako doplnkový program k inému pozorovaniu. Stačí len sledovať alerty počas pozorovania a keď sa objaví gama burst a má vhodnú polohu, treba rýchlo sledovať časť oblohy určenú družicou, čo GRB detegovala. Má to však niekoľko háčikov, ale aj napriek tomu sa jedná a predmet, ktorému sa oplatí venovať.

Stručne z histórie

Objav zábleskov žiarenia gama (GRB) sa datuje do obdobia 1960 až 1973, kedy operovali americké satelity VELA. Ich cieľom bolo zachytiť gama žiarenie pochádzajúce z prípadných zakázaných testov jadrových zbraní. Síce nedetegovali ani jeden výbuch jadrovej bomby, podarilo sa im však zachytiť veľké množstvo zábleskov prichádzajúcich zo všetkých možných smerov.

Aby sme boli presní, satelity Vela detegovali jeden záblesk pochádzajúci zo Zeme, ktorý nemal nič spoločné z GRB, bol pomenovaný ako Vela Incident. Dňa 22 septembra 1979 v 00:53 GMT bol zachytený dvojitý záblesk, typický pre atmosferické testy jadrových zbraní v blízkosti ostrova princa Eugena v Indickom oceáne. Informácie o tejto explózií o sile 2 až 3 kilotony sú stále tajné.

Až v roku 1973 [1.] bola publikovaná prvá práca, ktorá odštartovala štúdium týchto záhadných objektov. Objav GRB a ich skutočná existencia bolo potvrdená v rade nasledujúcich kozmických projektov, ako aj napríklad v projekte Apollo. Pochopiteľne, záblesky gama žiarenia nemôžu byť detegované zo Zeme. Preto bolo ich pozorovanie a výskum možný až z rozvojom kozmonautiky a umelých družíc. Prvým projektom, ktorý bol zameraný priamo na pozorovanie GRB, bola družica Compton Gamma Ray Observatory a jej zariadenie BATSE (Burst and Transient Source Explorer), čo bol extrémne citlivý detektor gama fotónov. Aj napriek pomerne veľkej chybe v určovaní presnej polohy GRB sa podarilo zistiť, že ich rozloženie je izotropické. Čo vyvrátilo všetky teórie hovoriace o tom, že sa jedná o objekty pochádzajúce z našej Galaxie. Avšak stále nikto netušil s akými úkazmi máme dočinenie. Nevedela sa ich približná vzdialenosť, či sa jedná o úkazy z okolia našej Galaxie, alebo z hraníc viditeľného vesmíru. Nevedelo sa tiež nič o množstve energie, ktorá sa pri takomto fenoméne uvoľní. Na všetky tieto informácie museli astronómovia čakať až takmer do konca 20. storočia.

Zlomovým sa stal 28. február 1997. Taliansko – Nemecká družica BeppoSAX detegovala záblesk žiarenia gama a určila jeho polohu na oblohe. Informácia sa okamžite dostala k týmu operujúcemu na 4,2 metrovom teleskope WHT (William Herschel Telescope, La Palma). Podarilo sa im úspešne detegovať a identifikovať optický dosvit gama záblesku GRB 970228 ako prvým v histórií. Tým sa začala nová éra v pozorovaní GRB. Od tej doby sa výrazne zlepšila pozorovacia technika a zrýchlil sa prístup k informáciám. Po zemi vzniklo niekoľko robotických ďalekohľadov, ktoré čakajú na informáciu o novom GRB od niektorej zo špecializovaných družíc, ako je napríklad americký SWIFT či európsky Integral. Následne, čo v najkratšom čase sledujú časť oblohy, určenú družicou a hľadajú na získaných záberoch objekt, ktorý nie je v katalógu a je pravdepodobne optickým dosvitom GRB.

Čo o gama zábleskoch vlastne vieme?

GRB (gamma ray bursts) sú najenergetickejším fenoménom vo vesmíre. Trvajú od zlomkov sekúnd po hodiny a môžu byť nasledované dosvitmi v X, UV, či optickom a rádiovom obore. Pochádzajú zo vzdialeného vesmíru a ich polohy na oblohe sú náhodné. V podstate ich môžeme rozdeliť do dvoch základných skupín. Krátke GRB, ktoré trvajú menej ako 2 sekundy a dlhé GRB trvajúce niekedy aj oveľa viac ako 2 sekundy. Existujú aj gama záblesky, ktoré sa niečím líšia od tých ostatných, niečím sú výnimočné. Avšak jedná sa o veľmi záhadné objekty, ktorých výskum je len v plienkach a astrofyzici na mnohé veci ešte len prichádzajú.

Krátke záblesky žiarenie gama

Je pre ne charakteristická menšia vzdialenosť, ale stále sa jedná o extragalaktické objekty. Ich celková energia je menšia ako u dlhých gama zábleskov. Sú však častejšie, ale kvôli ich krátkemu trvaniu máme málo spoľahlivých pozorovaní. Len pre pár krátkych GRB bola lokalizovaná materská galaxia.

Pôvodom týchto objektov pravdepodobne nie sú supernovy. Jedným z možných vysvetlení je teória popisujúca splynutie dvoch čiernych dier, či dvoch neutrónových hviezd. K tejto teórii ukazuje aj fakt, že krátke GRB pozorujeme relatívne ďaleko od materských galaxií, ktoré patria medzi staré galaxie z relatívne malým z. To sa dá vysvetliť tak, že sa jedná pravdepodobne o staré objekty, ktoré vznikli v materskej galaxií dávno a počas svojej cesty po galaxii sa dostali až ku jej okrajom. Takým starým objektom môže byť už spomínaná dvojica čiernych dier či neutrónových hviezd.

Prečo sa dve takéto telesá nepohybujú po stabilných dráhach, ale sa približujú a nakoniec splynú, môžeme vysvetliť pomocou obecnej relativity. Telesá strácajú svoju rotačnú energiu vyžarovaním gravitačných vĺn.

Ďalšia teória, popisujúca iba malú časť krátkych zábleskov žiarenia gama sú tzv. „magnetar giant flares“. Magnetar je neutrónová hviezda s veľmi silným magnetickým poľom zamrznutým v jej látke. Magnetar sa môže dostať do „outburstu“, pričom sa vyprodukuje obrovské množstvo vysoko energetických fotónov. Pre túto teóriu sa však neukazovalo dostatočné množstvo dôkazov, až 27. 12. 2004 vzplanul magnetar SGR 1806-20, a to tak silno, že všetky gama detektory na družiciach okolo Zeme boli zrazu saturované. Avšak zatiaľ iba veľmi málo zábleskov žiarenia gama vo svojich spektrách naznačuje, že by mohlo ísť aj o magnetar giant flares.

Dlhé záblesky žiarenia gama

Dlhé gama záblesky sú oveľa zriedkavejšie, prichádzajú k nám z väčšej vzdialenosti, čiže aj z mladšieho vesmíru. Charakterizuje ich podobná celková energia, čo naznačuje, že by mohlo ísť o rovnaký, či podobný proces u všetkých týchto objektov. Astrofyzici vedia z vysokou istotou povedať, že energia u dlhých GRB je uvoľňovaná v jetoch. Pravdepodobne sa jedná o špeciálny druh supernovy, nazvaný „collapsar“. Dlhé záblesky žiarenia gama boli pozorované v materských galaxiách práve tam, kde by sa mali nachádzať masívne hviezdy, ako sú napríklad nepravidelné galaxie. Preto je vysoko pravdepodobné, že sa jedná o kolaps veľmi hmotnej a veľmi horúcej hviezdy, ktorá žije len veľmi krátko, povedzme niekoľko stotisíc rokov a počas svojho krátkeho života nemá možnosť uniknúť ďaleko od miesta svojho vzniku. Teórií o špeciálnom type supernov nasvedčuje aj niekoľko pozorovaní, kedy klasická supernova nasleduje GRB: GRB 060218 (SN 2006aj), GRB 030329 (SN 2003dh), GRB 980425 (SN 1998bw).

Pozorovanie a výsledky

V dnešnej dobe sa na pozorovanie zábleskov žiarenia gama používajú takmer všetky typy ďalekohľadov, od tých najväčších pozemských teleskopov ako sú Gemini či VLT cez špecializované družice na obežnej dráhe okolo Zeme: SWIFT, Integral, až po malé robotické ďalekohľady či prístroje patriace astronómom amatérom. Prečo sa používa také široké spektrum zariadení? Takáto otázka je zrejme namieste. Môžete sa ešte opýtať, či malé amatérske ďalekohľady môžu nejako konkurovať v potenciálnych vedeckých výsledkoch špecializovaným obrím teleskopom?

Faktom je, že práve menšie prístroje hrajú nezanedbateľnú rolu v pozorovaní GRB. Celé pozorovanie funguje asi nasledovne. Ako bolo už niekoľko krát spomínané, záblesk žiarenia gama môže byť detegovaný len mimo atmosféru. Na obežnej dráhe okolo Zeme sa nachádza niekoľko satelitov, určených na realtime detekciu GRB. Predovšetkým SWIFT a Integral. Každý ma na svojej palube citlivý gamadetektor, ktorý dokáže určiť polohu gama záblesku na oblohe s nepresnosťou typicky medzi 2“ až 3“. Každá z družíc je vybavená vlastným optickým ďalekohľadom, ktorý sa môže následne použiť pre identifikáciu možného optického dosvitu. Informácia o detekcii sa okamžite posiela na Zem, kde je pomocou služby GCN circulars distribuovaná medzi ostatných pozorovateľov emailami. Zároveň je v špeciálnom, štandardnom formáte posielaná správa pre robotické ďalekohľady, ktoré sú schopné automaticky prejsť na určenú časť oblohy. Takto sú schopné už veľmi rýchlo po detekcii pozorovať určené pole a identifikovať prípadný dosvit. Informácia o pozorovaní je ďalej posielaná GCN cirkulárom, aby všetci vedeli či bol nejaký dosvit pozorovaný, aká je jeho presná poloha a jasnosť. Informácia o prsnej polohe je v prípade dosvitu neoceniteľná najme pre veľké ďalekohľady, ktoré sú potom schopné získať spektrum. Ak sa podarí získať spektrum a z neho určiť červený posun, vieme určiť vzdialenosť a z dát z gama detektorov vieme určiť približnú energiu. Najlepšie je, keď sa podarí pozorovať dosvit aj v rádiovej oblasti, takéto pozorovania robí napríklad VLA. Keďže medzi rádiovou emisiou a celkovou energiou existuje úzka súvislosť.
Malé, najmä automatizované ďalekohľady hrajú dôležitú úlohu práve kvôli ich rýchlosti, s ktorou sú schopne hľadať možný dosvit. U veľkých ďalekohľadov je rýchlosť problémom, pretože často sa stáva, že na nich beží nejaké dôležité pozorovanie a nemajú čas, respektíve pozorujú dosvit až keď je potvrdená jeho existencia a určená poloha.

Pre pozorovanie GRB je potrebné si uvedomiť, že len malá časť pozorovaných zábleskov žiarenia gama má dosvity v optickej oblasti. Je dosť pravdepodobné, že väčšina ich má, ale emisia v optickej oblasti je oveľa slabšia ako v gama, čo spôsobuje akýsi výberový efekt a pozorujeme len tie najsilnejšie, alebo tie čo sú k nám najbližšie.

Optické dosvity môžeme rozdeliť do dvoch častí, podľa času, kedy po vzplanutí GRB ich pozorujeme. Existujú tzv. optické náprotivky, pozorujeme emisiu aj v optickej oblasti počas vzplanutia. Alebo pozorujeme emisiu v optickej oblasti krátko po vzplanutí, dosvit. Avšak táto terminológia nie je ustálená, pretože sa používajú anglické výrazy.

V prípade, že už je naozaj dosvit v optickej oblasti pozorovaný, je väčšinou na hranici viditeľnosti menšími prístrojmi. Jedná sa typicky o objekty slabšie ako 17 mag.

GRB v Čechách

V Českej Republike sa nachádza jeden robotický ďalekohľad určený na detekciu optických dosvitov gama zábleskov. Volá sa BART (Burst Alert Robotic Telescope), jedná sa o Schmidt-Cassegrain s priemerom zrkadla 254 mm a ohniskom 1.6 m. Je to zariadenie, ktoré dokáže pracovať úplne samostatne a v prípade detekcie gama záblesku dostáva okamžite správu prostredníctvom internetu. Vyhodnotí, či je možne dané pole aktuálne pozorovať a ak áno, okamžite začína pozorovanie. Aj napriek veľkému množstvu pozorovaní, zatiaľ nezaznamenal kladnú detekciu optického dosvitu. Čo sa pravdepodobne v blízkej budúcnosti zmení.

Doteraz jediný pozorovaný optický dosvit GRB v Českej Republike je zo dňa 22. septembra 2005. Bol použitý 0,6 m ďalekohľad Masarykovej univerzity na Kravej hore, neskôr sa pridal aj 0,4 m ďalekohľad Kopernikovej hvezdárne, ktorej budova je hneď vedľa. Necelé dve hodiny od detekcie gama záblesku americkou družicou SWIFT bola jasnosť dosvitu približne 18 mag a rýchlo pohasínala. V danom čase nikto iný nepozoroval tento dosvit, takže napozorované dáta sú cenné a perfektne zapadajú do svetelnej krivky, ktorá bolo neskôr zostavená zo všetkých pozorovaní.

Aj toto svedčí o dôležitosti podobných pozorovaní. Keby sa danej problematike venovalo viacej ďalekohľadov, určite nie na „plný úväzok“, ale len by pozorovatelia sledovali počas pozorovania alerty a pozorovali by, až keď by sa niečo začalo diať, určite by podobné pozorovania pribúdali.

Slovo na záver

Po prečítaní predchádzajúcich pár viet si môže amatérsky astronóm povedať, že takéto pozorovanie je náročné a nezaujímavé, ale to by bola chyba. Ako som celý čas naznačoval, jedná sa o štúdium exotického vesmíru, ktorý je pre nás stále veľkou záhadou a ešte dosť dlho bude. GRB k nám prichádzajú zo vzdialeného vesmíru, aj tie najbližšie zo vzdialenosti miliónov svetelných rokov. Do ich pozorovania sa zapájajú najmodernejšie astronomické prístroje, ale možnosť majú aj menšie, dostupné amatérskym astronómom. Pozorovanie GRB je v astronómií doslova horúcou novinkou a preto sa mu určite oplatí venovať pozornosť.

Referencie

1. Klebesadel, R. et al. (1973). „Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin“. Astrophysical Journal 182: L85.
2. Matúš Kocka (2005). „Prvý dosvit gama záblesku u nás“. Kozmos 6/2005
3. http://grad40.as.utexas.edu/ - GRBblog
4. http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/main/index.html - Misia družice SWIFT
5. http://www.esa.int/esaMI/Integral/index.html - Misia družice INTEGRAL
6. http://www.physics.muni.cz/mb/ - Monteboo observatorry, Brno
7. http://lascaux.asu.cas.cz/ - BART
8. http://gcn.gsfc.nasa.gov/invitation.html - GCN Circulars

Obrázky

Jeden z amerických satelitov VELA

Compton Gamma Ray Observatory, NASA

Taliansko – Nemecká družica BeppoSAX

Umelcova predstava dvoch kolidujúcich neutrónových hviezd

Umelcova predstava kolapsaru s jetmi

GRB 060922C 0,6 m ďalekohľad, exp 4000 s, Monteboo observatory