Promieniowanie rentgenowskie jest to jedno z najbardziej ekscytujących rodzajów promieniowania, jest to promieniowanie o jednej z najwyższych możliwych energii, które odpowiada najbardziej energetycznym zjawiskom zachodzącym we wszechświecie, jak np. zachowanie materii w najbliższym otoczeniu czarnych dziur. W tej chwili o „rentgenowskim” wszechświecie wiemy już bardzo dużo, jednakże wciąż pozostaje przed nami mnóstwo nieodkrytych i mało poznanych kwestii dotyczących wszechświata, które objawiają się właśnie w tych rodzajach fal.

Wizja artystyczna Advanced Telescope for High Energy Astrophysics

Urządzeniem, które pomoże nam rozwiązać dużą liczbę tych problemów, jest ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics). Będzie to rewolucyjny teleskop rentgenowski, który da nam zupełnie nowe okno na obserwacje najbardziej gorącego i energetycznego wszechświata.

Coś o ATHENIE

ATHENA jest teleskopem produkowanym przez ESA. Teleskop ten powstał w wyniku kilku poprzednich niezrealizowanych projektów.

Początkowo ESA i NASA osobno zajmowały się misjami, kolejno XEUS i Constellation-X Observatory. Zmieniło się to w 2008 roku, kiedy ESA i NASA razem z JAXA postanowiły razem stworzyć urządzenie IXO (International X-ray Observatory). Jednak w roku fiskalnym 2012 NASA musiała się wycofać z projektu w wyniku ograniczeń budżetowych, co doprowadziło do tego, że ESA już na własną rękę zdecydowała się zmodyfikować projekt IXO, tworząc ATHENĘ.

ATHENA będzie wchodziła w skład misji Cosmic Vision z budżetem około 900 mln euro. Ma zostać wystrzelona na orbitę w roku 2034, a jej nominalny czas misji ma wynosić 4 lata.

Obserwacje gorącego i energetycznego wszechświata

Misją naukową ATHENY jest obserwacja gorącego i energetycznego wszechświata. Skupia się to przede wszystkim na dwóch rzeczach, badaniu sposobu wzrostu czarnych dziur i ich wpływu na wszechświat oraz tego, w jaki sposób gorący gaz ewoluuje i łączy się w wielkoskalowe struktury. Niżej omówię główne cele naukowe ATHENY.

Wiatry czarnych dziur

Czarne dziury same w sobie są ciekawe, ale ich obserwacje nie kończą się tylko na nich. Uważa się, że czarne dziury – a zwłaszcza te supermasywne w centrach galaktyk – są jednym z najważniejszych czynników wpływających na ewolucje gromad i galaktyk. Otóż czarne dziury w wyniku akrecji wyrzucają ogromne ilości energii do skali galaktyk i gromad galaktyk. Energia ta jest wyrzucana w postaci promieniowania, ale także w postaci energii mechanicznej za pomocą bardzo dużej ilości materii wyrzucanej z dysku akrecyjnego w wyniku wiatrów UFO (Ultra Fast Outflows).

Wciąż jednak nie znamy dokładnie zachodzących w nich procesów fizycznych i dynamicznych ani tego co produkuje te wiatry. Do tego potrzebujemy szeregu czynników jak na przykład geometria dysku, stan jonizacji, natężenie wiatrów w zależności od źródła i tak dalej. Aczkolwiek te parametry póki co są na granicy możliwości obecnych urządzeń. Dzięki parametrom ATHENY, które znacząco przewyższą te obecne, będziemy w stanie z niespotykaną dotąd precyzją zbadać różne mankamenty mające wpływ na UFO, dzięki czemu, zbadamy genezę i procesy w nich zachodzące, a co za tym idzie, dowiemy się wiele o najefektywniejszym generatorze energii we wszechświecie, czyli akreujących czarnych dziurach.

Wzrost czarnych dziur

Dzięki ATHENIE dowiemy się także tego, w jaki sposób czarne dziury rosły. Czy był to efekt fuzji z inną mniejszą czarną dziurą? A może wynik chaotycznej (z inną czarną dziurą), czy może gładkiej akrecji?

Badanie sposobu ewolucji czarnych dziur mierzy się przede wszystkim za pomocą badaniu ich rotacji. Uważa się bowiem, że sposób, w jaki czarne dziury się obracają, jest reliktem po sposobie ich wzrostu, więc badanie tego może być bardzo optymalne. A rotacje czarnych dziur mierzymy za pomocą linii żelaza Kα. Linie te, są zależne tylko od dwóch czynników, masy i właśnie sposobu obrotu, więc badając je (uprzednio znając masę czarnej dziury), można bardzo efektywnie badać ruch obrotowy czarnych dziur, a co za tym idzie,  sposób w jaki rosły.

Ze względu na to, że badamy pojedyncze linie spektralne, potrzebujemy niezwykle czułych urządzeń, by móc dokonać szczegółowych analiz. Zważywszy na olbrzymią dokładność obserwacji ATHENY powyższe analizy, będą dokonane z dokładnością znacznie lepszą, niż jest to możliwe dzisiaj.

Geometria dysku akrecyjnego czarnych dziur

Dzięki ATHENIE w zasadzie po raz pierwszy będziemy mogli na taką skalę użyć techniki badającej geometrii czarnych dziur tzw. Reverbaration Mapping.

Idea tej techniki, nie wchodząc w zawiłe matematyczne szczegóły, jest taka: z korony czarnej dziury wylatuje promieniowanie, które dociera bezpośrednio do obserwatora, ale część tego promieniowania dotrze do nas po pewnym czasie, docierając do nas po jakimś czasie, różnica czasowa między promieniowaniem z korony i tym odbitym odpowiada odległości w dysku akrecyjnym. Dokonując więc szczegółowych analiz widm, będziemy w stanie zbadać geometrię dysków czarnych dziur.

Ta technika była już używana przez chociażby teleskop XMM-Newton. Obserwacje były dostatecznie dokładne do zinterpretowania tej zależności, jednak nie na tyle, by zbadać dokładnie geometrie dysku akrecyjnego. ATHENA, Dzięki ogromnym parametrom dotyczących widm zapewni nam dokładne badanie geometrii.

Odkrycia nowych czarnych dziur

Duża część czarnych dziur jest przesłoniętych. Pył otaczający czarną dziurę pochłania dużą część promieniowania, stąd też wielokrotnie nie jesteśmy w stanie zaobserwować wielu czarnych dziur. ATHENA, dzięki dużej rozdzielczości spektralnej (dokładności obserwacji widm) będzie można zbadać nawet te najmniej widoczne linie spektralne czarnych dziur, co zapewni obserwacje ogromu nowych obiektów.

Chemia i dynamika gorącego gazu

Duża część gorącego gazu w gromadach galaktyk jest niezwykle gorąca, będąca w temperaturach milionów i dziesiątek milionów kelwinów. W tych temperaturach cząstki promieniują między innymi w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Badając więc ten gaz, będziemy w stanie zbadać zarówno skład chemiczny jak i jego ewolucję na przestrzeni dziejów gromad, a także samą dynamikę gazu w gromadach, dzięki czemu będzie można tworzyć dokładne symulacje zachowania samego gazu w gromadach, a także, w jaki sposób będzie łączył się w większe struktury jak np. galaktyki.

W widmie gazu, dzięki ATHENIE, będziemy w stanie z niezwykłą dokładnością zbadać linię emisyjne różnych pierwiastków chemicznych, co przekłada się na bezproblemowe zbadanie składu chemicznego gromad. Poza samym składem daje to nam też inną ważną informację, mianowicie jakie obiekty wpływają na taki, a nie inny skład wszechświata. Przez to, że znamy (z pewną dokładnością) skład chemiczny różnych obiektów, będziemy mogli dokładnie zbadać, w jakim stopniu odpowiadają za skład chemiczny gromad, czego do dziś do końca nie wiemy.

Dodatkowe cele

ATHENA będzie się skupiać na gorącym i energetycznym wszechświecie, na tym bynajmniej jej rola się nie kończy. Posłuży jeszcze przede wszystkim do badania atmosfer i egzosfer planet, wiatru słonecznego, szczątek supernowych, a także w zasadzie wszystkich zjawisk przejściowych znajdujących się przez krótki czas na niebie (uwzględniając tu ot choćby rozbłyski gamma) przez dużą mobilność teleskopu.

Podsumowując, ATHENA da nam możliwości do dogłębnego zbadania kosmosu, zachodzących w nich zjawisk, począwszy od najbliższego otoczenia czarnych dziur, a na ewolucji samych gromad skończywszy, znacząco poszerzając współczesne możliwości naukowe.

Źródła:

Autor

Andrzej Wiśniewski