Preskočiť na obsah Preskočiť na pätu (NCP VaT)
VEDA NA DOSAH – váš zdroj informácií o slovenskej vede

Ako vzniká röntgenové žiarenie komét?

Ján Svoreň

Objavenie röntgenového žiarenia pri pozorovaní kométy C/1996 B2 (Hyakutake) v roku 1996 uviedlo do pomykova aj odborníkov.

Záber kométy Hyakutake.

Záber kométy Hyakutake od fotografa úradu NASA Billa Ingallsa. Zdroj: Wikimedia Commons. Autor: NASA/Bill Ingalls

Rӧntgenové žiarenie vesmírnych telies je spojené s mohutnými energetickými procesmi. Preto objav röntgenového žiarenia komét, teda v prostredí s nízkymi teplotami, hustotami a tlakmi, priviedol astronómov do pomykova. Aj keď dnes už vieme o týchto procesoch oveľa viac, na definitívne závery je ešte priskoro.

Napriek tomu, že skúmaniu zloženia a stavby komét sa astronómovia venujú už takmer 200 rokov (za začiatok tohto úsilia môžeme považovať pozorovanie návratu periodickej kométy 1P/Halley v roku 1835), objaví sa občas fenomén, ktorý privedie do úzkych aj vyslovených znalcov týchto telies. Takým bolo aj objavenie röntgenového žiarenia pri pozorovaní kométy C/1996 B2 (Hyakutake) v roku 1996. Jav, najprv silno spochybňovaný, bol neskôr nevyvrátiteľne zaznamenaný aj pri ďalších jasných kométach. Niekoľko pokusov o vysvetlenie jeho podstaty nenašlo všeobecnú podporu u kometárnych astronómov. No aj tu sa už blýska na lepšie časy.

Röntgenové žiarenie vesmírnych objektov

Najprv uvedieme niekoľko poznatkov o pozorovaní nebeských telies v oblasti vlnových dĺžok charakteristických pre röntgenovú (RTG) oblasť. RTG astronómia sa zaoberá vesmírnymi telesami, ktoré vysielajú RTG žiarenie, teda elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami od 0,008 nanometra do 8 nanometrov. RTG zdroje vo vesmíre sú spojené s energetickými procesmi v binárnych sústavách, neutrónových hviezdach, supernovách a vo zvyškových hmlovinách po ich výbuchoch, v galaktických jadrách a čiernych dierach a pri nich sa vyvíjajúcich akrečných diskoch a podobne.

RTG žiarenie po prvý raz zaznamenal nemecký fyzik W. C. Röntgen v roku 1895 pri pokusoch s vákuovými trubicami. Podstatu RTG žiarenia vysvetlil v roku 1912 ďalší nemecký fyzik Max von Laue. Označil ich za elektromagnetické vlny s malou vlnovou dĺžkou. Uplatnenie našli v mnohých technických odboroch a aj v medicíne.

RTG družica Chandra.

Röntgenové observatórium Chandra. Zdroj: Wikipédia

Študovanie vesmírnych telies v RTG oblasti sa uskutočnilo oveľa neskôr. Nie je totiž možné pozorovať RTG žiarenie z povrchu Zeme. Prekážkou (ale aj ochranou pre živé organizmy) je naša mohutná atmosféra, ktorá ho pohlcuje. Pomocou rakety vypustenej nad husté vrstvy zemskej atmosféry bolo v roku 1949 zaznamenané RTG žiarenie Slnka. V roku 1962 zaznamenala raketa prvý RTG zdroj mimo slnečnej sústavy v súhvezdí Škorpión, dnes známy ako Sco X-1.

Pozorovanie pomocou rakiet však bolo obmedzené na krátky časový interval niekoľkých minút. RTG astronómia preto zaznamenala významný pokrok až po vypustení špecializovaných družíc na obežnú dráhu Zeme. Prvou takouto družicou bola v roku 1970 družica Uhuru. Identifikovaním rӧntgenového zdroja Cygnus X-1 v súhvezdí Labuť objavila prvú čiernu dieru. Neskôr nasledovali ďalšie družice špecializované na výskum RTG zdrojov. V roku 1978 to bolo Einsteinovo rӧntgenové observatórium, v roku 1990 družica ROSAT, v roku 1995 Rossi X-ray Timing Explorer, v roku 1999 družice XMM Newton a Chandra. V roku 2004 bolo vypustené Neil Gehrels Swift Observatory, ktoré nie je špecializované len na RTG oblasť a okrem RTG ďalekohľadu má zariadenia na záznam gama žiarenia, ultrafialovej a viditeľnej oblasti. K výskumu RTG žiarenia vesmírnych telies prispeli aj satelity Suzaku, NuSTAR, INTEGRAL, Hitomi a Spektr-RG.

Röntgenové žiarenie komét

Družica ROSAT zaznamenala v roku 1996 ako prvá RTG žiarenie z kométy.

Družica ROSAT zaznamenala v roku 1996 ako prvá RTG žiarenie z kométy. Zdroj: NASA

Keď družica ROSAT zaznamenala v roku 1996 prvé RTG žiarenie z kométy, najprv zavládlo nadšenie. Potom však vystúpili do popredia pochybnosti, lebo sme vedeli, že kometárne jadro je tvorené prevažne ľadom a ani v oblasti perihélia (najbližšieho bodu dráhy kométy k Slnku) nedosahuje teplota povrchu komét viac ako niekoľko stoviek stupňov. Pritom RTG žiarenie je vo všeobecnosti spájané s búrlivými astrofyzikálnymi procesmi s teplotami o niekoľko rádov vyššími a vzniká napríklad pri brzdnom a synchrotrónovom žiarení, pri teplotnom vyžarovaní zdrojov s teplotou nad milión kelvinov, pri niektorých relativistických procesoch a podobne.

Farby udávajú hustotu plazmy, ktorá sa rastie od modrej po červenú. Mierka je v miliónoch km.

Model plazmového poľa v blízkosti kométy Hyakutake. Slnečný vietor (prúd nabitých častíc) prichádzajúci zľava je zobrazený bielymi a fialovými čiarami. Žltá čiara zobrazuje rozhranie medzi kometárnou komou a medziplanetárnym magnetickým poľom. Farby udávajú hustotu plazmy, ktorá rastie od modrej po červenú. Mierka je v miliónoch kilometrov. Zdroj: Science

Prvým vysvetlením neočakávaných RTG lúčov z komét bolo, že RTG žiarenie zo Slnka absorboval oblak molekúl sublimovanej vody obklopujúcej jadro kométy a potom boli molekuly opätovne vyžiarené fluorescenciou. Podľa tejto myšlienky je oblak taký hustý, že jeho slnečná strana absorbuje takmer všetky prichádzajúce slnečné lúče, takže nič neprenikne do zvyšku oblaku. To by mohlo vysvetliť, prečo kometárna emisia RTG lúčov má formu polmesiaca a nie sféry okolo jadra. Druhým možným vysvetlením bolo, že RTG lúče vznikajú počas zrážky medzi materiálom kométy a slnečným vetrom pohybujúcim sa nadzvukovou rýchlosťou.

Obrázok kométy C/1999 S4 (LINEAR).

Obrázok kométy C/1999 S4 (LINEAR) ukazuje oblasť emisie RTG lúčov lokalizovanú smerom k Slnku od kometárneho jadra. Samotné chladné jadro nie je na RTG snímkach viditeľné. Zdroj: RTG satelit Chandra

V roku 2000 družica Chandra zaznamenala RTG žiarenie z kométy C/1999 S4 (LINEAR) na strane osvetlenej Slnkom. Zdalo sa, že pozorovanie Chandry záhadu zdroja RTG žiarenia vysvetlí. Podľa merania Chandry RTG žiarenie kométy pochádzalo z niekoľkonásobne ionizovaných atómov kyslíka a dusíka. Vedci predpokladali, že tieto silne nabité ióny produkuje vonkajšia koróna Slnka. Pri prelete okolo kométy priťahujú slnečné ióny záporne nabité elektróny z kometárnych atómov a molekúl. Elektróny preskakujú z neutrálnych atómov na ióny a pri prechode z vyšších energetických hladín na nižšie emitujú RTG žiarenie. Ióny sa stávajú neutrálnymi.

Kométa Lulin 28. januára 2009 na snímke satelitu Swift. Údaje ultrafialového a optického ďalekohľadu sú zobrazené modrou a zelenou farbou a údaje RTG ďalekohľadu sú červené.

Kométa Lulin 28. januára 2009 na snímke satelitu Swift. Údaje ultrafialového a optického ďalekohľadu sú zobrazené modrou farbou a údaje RTG ďalekohľadu sú červené. Zdroj: NASA

Nové riešenie

Vedci z Oxfordskej univerzity navrhli riešenie, ktoré vysvetľuje RTG žiarenie komét ako dôsledok urýchlenia elektrónov vlnovou turbulenciou v zmagnetizovanej plazme. Kométy počas pohybu slnečnou sústavou interagujú so slnečným žiarením, slnečným vetrom a s medziplanetárnym magnetickým poľom. Táto interakcia vytvára viditeľnú atmosféru okolo kometárneho jadra, kometárne chvosty rôznych tvarov a zloženia a v niektorých prípadoch aj RTG žiarenie. RTG lúče vznikajú na strane kometárneho jadra osvetlenej Slnkom, kde slnečný vietor pôsobí na kometárnu atmosféru a vytvára nárazovú vlnu.

Simulácia plazmových interakcií medzi kométou 67P/Čurjumov-Gerasimenko a slnečným vetrom v blízkosti perihélia podľa modelu na základe meraní sondy Rosetta.

Simulácia plazmových interakcií medzi kométou 67P/Čurjumov-Gerasimenko a slnečným vetrom v blízkosti perihélia podľa modelu na základe meraní sondy Rosetta. Zdroj: Technische Universität Braunschweig a Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Na zistenie, ako môžu byť RTG lúče vyžiarené z kométy, uskutočnili vedci experimenty v laserovom laboratóriu, kde sa pokúsili vytvoriť podmienky podobné interakcii slnečného vetra s kométou. Experimentálne výsledky poskytli priame laboratórne dôkazy o tom, že objekty pohybujúce sa cez zmagnetizovanú plazmu môžu vytvoriť oblasti zrýchlených elektrónov. Je to veľmi všeobecná situácia v astrofyzike, ktorá sa uplatňuje nielen v kométach, ale aj v planetárnych magnetosférach, ako je naša Zem, alebo dokonca vo zvyškoch supernov, kde sa vyvrhnutý materiál pohybuje cez medzihviezdny plyn. Úžasné je, že takéto zložité procesy je možné napodobniť v laboratórnych podmienkach.

Pri pokusoch fyzici vystrelili laserové lúče na plastovú fóliu, ktorá explodovala a spôsobila uvoľnenie prúdu elektrónov a iónov, čím sa vytvoril vysokorýchlostný tok ionizovaného plynu (plazmy), imitujúci slnečný vietor. Tento „plazmový prúd“ potom dopadol na tuhú guľu, laboratórnu „kométu“ umiestnenú centimeter od plastovej fólie, čím vznikli podmienky podobné tým, keď skutočná kométa prechádza cez slnečnú sústavu. Zistilo sa, že elektróny sa zahrievajú turbulenciou plazmy približne o milión stupňov Celzia. Tieto horúce elektróny sú potom zodpovedné za vznik RTG žiarenia, nutná je však prítomnosť magnetického poľa.

Teoretici môžu byť teda opäť spokojní. Žiadne RTG žiarenie z chladnej kometárnej hmoty nie je na programe. Nové riešenie poskytuje elektróny s teplotou dostatočne vysokou na emitovanie RTG lúčov. Aj keď môže ísť len o jeden z viacerých realizujúcich sa procesov.

O autorovi

Ján Svoreň

Ján Svoreň | externý autor

doc. RNDr. Ján Svoreň, DrSc.

  • V rokoch 1967 až 1972 vyštudoval astronómiu a geofyziku na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave.
  • Od roku 1981 je vedeckým pracovníkom Astronomického ústavu Slovenskej akadémie vied v Tatranskej Lomnici. Venuje sa výskumu medziplanetárnej hmoty, predovšetkým komét a meteorov.
  • V roku 2016 získal Cenu ministra školstva, vedy, výskumu a športu SR za vedu a techniku v kategórii Popularizátor vedy.
  • V roku 2002 pomenovala Medzinárodná astronomická únia asteroid 1999 TE6 jeho menom – Svoreň.
  • Doposiaľ publikoval vyše 280 vedeckých a odborných publikácií.
  • Od roku 2002 je predsedom Vedeckého kolégia Slovenskej akadémie vied pre vedy o Zemi a vesmíre.
  • Je členom Medzinárodnej astronomickej únie aj Slovenskej astronomickej spoločnosti pri SAV.

CENTRUM VEDECKO-TECHNICKÝCH INFORMÁCIÍ SR Ministerstvo školstva, výskumu, vývoja a mládeže Slovenskej republiky

Mediálni partneri

ÁMOS vision FonTech Startitup