Élet és tudomány

A legtávolabbi ismert objektum a világegyetemben - Heuréka! Megtaláltuk!

Megjelent az Élet és tudomány 2009. augusztusi számában

Írta: Szokoly Gyula

Az első sikeres nukleáris kísérlettel megkezdődött az atomkorszak az emberiség számára. A horror csúcspontja 1962 volt, amikor egy híján 140 robbantást hajtottak végre. A hidegháborút a határtalan bizalmatlanság jellemezte, így még ha volt is szándék a robbantások betiltására, annak ellenőrizhetetlensége miatt az első ilyen egyezmény csak 1963-ban született meg, és ez is csak a nem föld alatti kísérleti robbantásokat tiltotta be. A nehézségeket jelzi, hogy például Franciaország és Kína a mai napig nem ratifikálta az egyezményt.

Természetesen egy ilyen szerződés csak akkor jön létre, ha annak betartását ellenőrizni is lehet (ez a fő oka, hogy az első ilyen szerződés nem tartalmaz korlátozást föld alatti tesztrobbantásokra). Az Egyesült Államok erre a célra a Veal műholdakat fejlesztette ki. 1963 (három nappal a szerződés aláírása után) és 1970 között összesen 12 ilyen műholdat állítottak föld körüli pályára. Ezek rengeteg különböző műszerrel voltak felszerelve, melyek egyikének a nukleáris robbanások során keletkező nagyenergiás fotonok (gamma-sugárzás) detektálása volt a feladata. A műholdak ugyan nukleáris tesztet nem derítettek fel, de 4 évvel pályára állításuk után, 1967-ben felfedezték az első gamma-felvillanást, azaz viszonylag rövid ideig tartó, de nagyon fényes eseményt. Mivel a jelenség egyértelműen nem fegyverkísérletre utalt, így az adatokkal nem nagyon foglalkoztak egészen 1973-ig. Ekkor egy rövid tudományos publikációban 16 ilyen felvillanásról számoltak be. A cikk nem tett különösebb erőfeszítést a jelenség magyarázatára, egyszerűen csak felhívta rá a figyelmet.

Honnan jön?

Természetesen sok asztrofizikus „ráharapott” a témára és a nagyenergiás csillagászat nagyon gyors fejlődésnek indult. 1991-ben pályára állították a Compton Gamma-Ray Observatory-t, aminek része volt egy kifejezetten gamma-felvillanások keresésére épült műszer. A műhold kilenc év alatt több, mint kétezer ilyen eseményt regisztrált. A jelenség magyarázata évekig váratott magára. A nagy áttörés 1997-ben következett be, amikor is a BeppoSAX műhold (ami alapvetően egy röntgentávcső volt, bár tartalmazott egy gamma-felvillanásokat érzékelő műszert) néhány szögperc pontossággal behatárolta a GRB 970228 felvillanás pozícióját.
A Kanári-szigeteken található William Herschel (4,2 méteres) és Isaac Newton (2,5 méteres) távcsövek azonnal, illetve egy hét elteltével felvételeket készítettek a területről, amelyek alapján azonosítottak egy gyorsan halványuló objektumot. Egy hónappal később a világ legnagyobb távcsövével, a Hawaii-szigeteken található Keck távcsővel sikerült egy spektrumot is készíteni az objektumról. Ezzel egy több évtizedes vita dőlt el: ezek a felvillanások nem a mi galaxisunkban keletkeznek, hanem több milliárd fényévnyire található galaxisokban.
Az első siker hatására nagyon felgyorsult a technikai fejlődés a csillagászatban. A Világegyetemben a tipikus események nagyon lassúak. Egy szupernóva esetén is napok alatt történnek a lényeges dolgok, de a normális folyamatok ennél vagy sokkal lassabbak, vagy előre jósolhatók (például a bolygóegyüttállások). A gamma-felvillanások felfedezése előtt lényegében nem volt szükség gyors reakciókra. A gamma-villanások tanulmányozására a létező mechanizmusok viszont túl lassúak (és túl költségesek) voltak. A kommunikációs infrastruktúra kiépítése ismét évekig váratott magára.
A European Southern Observatory lényegében csak 2004-től képes azonnal, illetve legalábbis perceken belül reagálni váratlan eseményekre. Ez persze óriási előrelépés, aminek meg is volt az eredménye. Míg a kezdetekkor évi néhány gamma-felvillanást sikerült azonosítani, addig mára ez a szám 50 körüli. A csillagvizsgálók tehát ma már képesek perceken belül reagálni, de csak azt a műszert lehet a gamma-felvillanások azonosítására használni, ami éppen az adott távcsövön van. Ezek pedig sokszor teljesen alkalmatlanok a feladatra. Ilyenkor úgy érzi magát a csillagász, mint az a sebész, akinek egy fotóstáska tartalmának segítségével kell elvégeznie egy koponyaműtétet.

Vizsgáljuk azonnal!

Egyik kollégám, Jochen Greiner már 2001-ben tarthatatlannak ítélte a helyzetet és néhányunkkal összefogva belefogott a GROND projektbe, melynek célja egy kifejezetten gamma-felvillanásokra optimalizált kamera megépítése volt. Egyrészt olyan eszközt akartunk létrehozni, ami mindig rendelkezésre áll, másrészt kifejezetten a gamma-csillagászat szempontjainak felel meg. Ezen elvárások miatt egy olyan kamerát építettünk, ami állandóan a távcsövön van (szemben a tipikus műszerekkel, amiket állandóan le- és felszerelnek), így egy egyszerű síktükör elfordításával bármikor át tudja venni a megfigyeléseket. Ez pillanatok alatt (fél perc) megtörténik, ami lényegesen rövidebb, mint amennyi időre a távcsőnek szüksége van a célra álláshoz (itt nagyon nagy tömegeket kell mozgatni, hiszen a távcső tükre önmagában is több tonnát nyom). Másik sajátossága a műszernek, hogy egyszerre dolgozik hét színben. Minden bejövő fotont féligáteresztő tükrökkel terelünk a megfelelő csatornába. Hagyományosan a különböző színszűrőkkel egymás után készülnek a képek, ami egy nagyon gyorsan változó fényességű objektumnál lényegében használhatatlan eredményeket jelentene, hiszen nem lehet eldönteni, hogy a halványodás, amit látunk, a színszűrőcsere vagy az objektum halványodásának a következménye.
Egy kamerához természetesen távcső is tartozik. Politikai és anyagi okokból a választás a Chilében, La Sillában található 2,2 méteres távcsőre esett. Mint kiderült, ez volt az ideális időzítés. Egyik oldalról a távcső kicsi, így nem ütköztünk túl erős ellenállásba, amikor a távcsőidő egyhatodát kisajátítottuk a céljainknak. Másik oldalról viszont a távcső elég nagy ahhoz, hogy ne akarják azonnal véglegesen leállítani (jelenleg a 2 méteres tükörátmérő a határ, az ennél kisebb távcsöveket sorban kapcsolják ki, mivel üzemben tartásuk költsége túl magas a rajtuk elvégezhető kutatás jelentőségéhez képest – amit egy egyméteres távcsővel fel lehet fedezni, azt tipikusan már rég felfedezték).
A műszerépítés lényegében fél évtizedig tartott, az első lépés, a detektorok vásárlása 2002 végén történt meg, míg az első megfigyelések 2007 áprilisában kezdődtek. A tervezés és megvalósítás rendkívül érdekes és szokatlan élmény volt, hiszen összesen négyen voltunk kutatók, négy mérnökkel, három műszerésszel és nyolc diákkal kiegészítve. Ennek megfelelően mindenki Mekk Elekké, az ezermesterré vált, hiszen előfordult, hogy a tudományos nagyfőnök pincérként tevékenykedett, néha pedig én adogattam a csavarokat a műszerésznek. Munkánkat siker koronázta: megépítettük az ideális, gamma-felvillanásra optimalizált műszert, és minden különösebb probléma nélkül üzembe is helyeztük. Aztán sokáig lényegében semmi földrengető nem történt. Persze, a műszer tette a dolgát, sorban azonosította be az objektumokat, de a szalagcímeket okozó eredmények csak nem akartak jönni.

Világrekordok

Aztán eljött 2008 szeptembere, annak is 13. napja – a SWIFT műhold újabb gamma-villanást észlelt (ebben az időszakban tipikusan naponta, pár naponta történt egy). GROND is tette a dolgát, de ez esetben kivételesen jól: összesen három percre volt szükség a megfigyelések megkezdéséhez (ez alatt a műhold értesítette a műszerünket, az éppen megfigyelő csillagásztól átvettük a vezérlést, a távcsővel ráálltunk a célra és elkezdtük a megfigyeléseket). Ez már önmagában dicséretes lett volna (a második befutó a szintén Chilében található VLT volt, de ott 45 percig tartottak az előkészületek). Az igazi meglepetés 10 órával később ért minket, amikor az adatok részletes elemzése alapján kiderült, hogy az eddigi legtávolabbi gamma-felvillanást találtuk meg, valamint a harmadik legtávolabbi objektumot a Világegyetemben. Még elképzelni is nehéz: majdnem 13 milliárd éve utazó fotonokat érzékeltünk.
Honnan tudjuk a fotonok korát? Nos, erre viszonylag egyszerű a válasz. Einstein (és Friedmann, meg sok más kutató) óta tudjuk, hogy egy táguló Világegyetemben élünk, ráadásul azt is tudjuk, hogy a Világegyetemben utazó fotonok is tágulnak, azaz azoknak is nő a hullámhossza, egyre vörösebbek lesznek. Ránézve egy objektum színképére pillanatok alatt meg tudjuk mondani, hogy mennyit nőtt a hullámhossz (mekkora a vöröseltolodása az objektumnak), hiszen a színképben vannak nagyon jellegzetes struktúrák, amikről tudjuk, hogy hol kellene lenniük.
A következő áttörésre összesen három napot kellett várni: 16-án újabb rekordot döntöttünk meg: az aznapi villanás ugyan viszonylag közeli volt (itt „csak” 6,2 milliárd évet utaztak a fotonok), viszont ez volt az eddig felfedezett legerősebb felvillanás, amit ismerünk (nagyjából 9000-szer annyi energiát sugárzott felénk, mint egy szupernóvából várnánk).
Ennyi izgalom után az új legre megint fél évet kellett várni, egészen idén áprilisig. Ekkor találtuk meg a GRB 090423 azonosítójú gamma-villanást. Persze utólag mindenki elsőnek akarja beállítani magát, ez alól mi sem vagyunk kivételek. Alapvetően két csoport versengett az észlelés elsőségéért, Hawaii és mi. Hawaii­ szerencsésebb helyzetben volt földrajzilag, így ők kapták meg az első esélyt. Ezzel az ott dolgozó angolok éltek is: a felvillanást lokalizálták, de nem ismerték fel annak jelentőségét. Az amerikai csapat a Gemini távcsövön, valamit megérzett és gyorsan megpróbálták bebiztosítani az első helyüket (a magyar médiában az ő sajtóközleményeiket vették át), sajnos súlyos hibákkal terhelték az eredményeiket. Mi később ugyan, de helyes mérési eredményekkel jelentkeztünk. Hogy ki a nyertes – a korán kelő, aki aranyat lel, de kiderül, hogy csak trombitabádog volt, vagy a másodiknak érkező egér, aki hazaviszi az egérfogóból a sajtot – azt senki nem fogja eldönteni. A lényeg, hogy megtaláltuk az eddig ismert legtávolabbi objektumot a Világegyetemben. Most már minden jelzők, szűkítések nélkül. Ráadásul nem is kicsivel haladtuk meg az eddigi csúcsot – ez a gamma-villanás több, mint 13 milliárd fényévről érkezett.

Mi a tanulság?

Persze az eredményeken kívül felmerül a kérdés, hogy mit tudunk meg ebből? A régi vicc csattanóját idézve: létezik legalább egy bárány Skóciában, aminek legalább az egyik fele fekete. Azaz létezik ilyen messze valami a Világegyetemben – a messze persze egyúttal öreget is jelent. Ráadásul elég biztosak vagyunk abban, hogy ezek a gamma-felvillanások óriási csillagok haláltusáját jelzik. Akkor viszont nemcsak azt mondhatjuk, hogy pár száz millió év alatt valami kialakult a korai világegyetemben, hanem azt is, hogy ekkorra a csillagok nemhogy megszülettek, de már el is kezdtek meghalni, hiszen egy gamma-felvillanás lényegében egy nagy csillag haláltusájának végső állomása. Nagyon nagy kérdés, hogy mennyivel leszünk képesek ezt a rekordot megjavítani. Sokkal nem, hiszen már nagyon közel vagyunk a kezdetekhez, azaz az első csillagokhoz.
A műszer megépítésénél nagyon előrelátóak voltunk és nagyon sok olyan apró részletre odafigyeltünk, amik a célul kitűzött gamma-felvillanások követése szempontjából nem voltak lényegesek. A történelem minket igazolt. Hála ezeknek az apróságoknak, a kamera képességei messze túlmutatnak a gamma-csillagászat keretein és egyre több tudományterület „fedezi fel” ezt a fantasztikus eszközt. Egyre fontosabb például a galaxishalmazok (és ezen keresztül a kozmológia) tanulmányozásában, de például most használtuk az Ex Lupi csillag megfigyelésére is. Lényegében egy svájcibicskát építettünk, ami majdnem mindenre jó, e szerint is használjuk.