Zahlavi

Základní informace

Kontakt: RNDr. Jiří Svoboda, Ph.D., Astronomický ústav AV ČR, jiri.svoboda@asu.cas.cz, telefon 226 258 428

ATHENA (Advance Telescope for High-Energy Astrophysics)

ATHENA (Advance Telescope for High-Energy Astrophysics) představuje velkou misi Evropské kosmické agentury (ESA) určenou ke zkoumání horkého a energetického vesmíru. Díky své mimořádné prostorové a spektrální citlivosti bude ATHENA schopná studovat velmi vzdálené objekty, odkud k nám záření letí mnoho miliard let. To nám umožní podívat se zpět do minulosti a odpovědět tak na základní otázky, kterými se současná astronomie zabývá: 

Jakým způsobem vznikly rozsáhlé struktury hmoty, které pozorujeme v dnešním vesmíru?
Jak se zformovaly obří černé díry v centrech galaxií a jakou roli hrály při utváření okolního vesmíru? 

Předpokládané vypuštění je plánováno na rok 2028. Již nyní se ale čeští vědci z Astronomického ústavu Akademie věd ČR podílejí na vědeckých simulacích, které ukazují, jak citlivá měření bude ATHENA schopna uskutečnit. Využívají při tom vlastní modely zahrnující v sobě veškeré efekty Einsteinovy obecné teorie relativity, například gravitační rudý posuv či ohyb světla v gravitačním poli. Plánované je i zapojení České republiky do designu a konstrukce velmi důležité součásti observatoře. Jedná se o unikátní magnetický chránič, který zabrání kosmickému záření vnikat do velmi citlivých detektorů na palubě ATHENY. 

Jaké vědecké otázky odpoví Athena?

Athena představuje návrh kosmické rentgenové laboratoře určené ke zkoumání horkého a energetického vesmíru. Díky své mimořádné prostorové a spektrální citlivosti bude Athena schopná studovat velmi vzdálené objekty, odkud k nám záření letí mnoho miliard let. To nám umožní podívat se zpět do minulosti a odpovědět tak na základní otázky, které trápí současnou astronomii - jakým způsobem vznikly rozsáhlé struktury hmoty, které pozorujeme v dnešním vesmíru? Jak se zformovaly obří černé díry v centrech galaxií a jakou roli hrály při utváření okolního vesmíru?

Athena – velká mise ESA

V současnosti je Athena ve své studijní fázi, kdy tým inženýrů a vědců (včetně českých odborníků) zkoumá proveditelnost mise při stanoveném finančním rozpočtu pro velkou misi Evropské kosmické agentury (ESA). Výše nákladů je zejména určena ambiciózními požadavky kladenými na spektrální vlastnosti detektorů. Hlavní detektor, Athena-XIFU, představuje mikro-kalorimetr chlazený na teplotu téměř rovnou absolutní nule, což není jednoduché ani ve vesmíru díky neustálé přítomnosti nabitých částic ve slunečním větru. Tento přístroj bude schopný velmi přesně určit energii a čas příletu každého rentgenového fotonu z vesmíru. Díky své nadstandardně vyspělé technologii, na které se budou podílet špičkové laboratoře z Evropy, Japonska i Spojených států amerických, dosáhne Athena vysoké spektrální citlivosti (nižší než 5 eV) při zachování velké sběrné plochy důležité pro pozorování zejména slabých nebo vzdálených objektů.

Athena – kde bude operovat?

Studijní fáze mise Atheny skončí v roce 2020, kdy by ji ESA měla finálně přijmout a připravit ji k jejímu plánovanému vypuštění v roce 2028. Vynést by ji měla nově připravovaná raketa Ariane 6. Athena pak bude následně nasměrovaná do Lagrangeova libračního bodu L2 ve vzdálenosti asi 1,5 milionů kilometrů od Země (tedy téměř čtyřikrát dál, než se nachází Měsíc). V libračním centru se vyrovnávají gravitační a odstředivé síly soustavy Země-Slunce a družice tak bude obíhat stejnou úhlovou rychlostí společně se Zemí. Pozorování družice díky tomu nebude tolik rušené kvůli Slunci, což je problémem současných rentgenových misí na oběžné dráze kolem Země. Předpokládaná délka života družice je pět let.

Athena – české zapojení?

Protože Athena bude v libračním bodě vystavena poměrně vysoké dávce kosmického záření, bude důležitou součástí observatoře magnetický chránič, který bude nabité částice kosmického záření odklánět mimo citlivé detektory. K tomu bude potřeba udržovat stálé magnetické pole pomocí permanentních magnetů. Návrhem konstrukčního řešení, které by splňovalo všechny potřebné podmínky, se v současnosti zabývají čeští odborníci z firmy Delong Instruments, která magnetická pole navrhuje a vytváří pro elektronové mikroskopy. Kosmická aplikace je v mnoha faktorech odlišná. Například se jedná o mnohem energetičtější částice, které je třeba odklonit. Dalším důležitým faktorem je celková hmotnost magnetů, která se musí vejít do určitého limitu, aby nebyla překonána nosnost rakety. Odborné konzultace, zprostředkování projektu a komunikaci s Evropskou kosmickou agenturou zajišťuje Astronomický ústav Akademie věd ČR.

Oficiální webové stránky mise: http://www.the-athena-x-ray-observatory.eu/

Vesmírná laboratoř Athena


Ohnisková vzdálenost Atheny činí 12 metrů, na obrázku blíže k nám je modul obsahující vědecké přístroje. Na druhém konci jsou umístěné obří solární panely, které zajistí dostatek energie k natáčení družice i posílání cenných naměřených dat do pozemských stanic. Na pozadí družice je umělecké ztvárnění vědecké představy aktivního galaktického jádra, obklopeného pracho-plynovým torem. Uvnitř se nachází super-hmotná černá díra o hmotnosti několika milionů až miliard hmot Sluncí. Ta nejen okolní hmotu pohlcuje, ale v její těsné blízkosti může docházet k takovým urychlováním částic, které za pomoci magnetického pole mohou unikat v úzkých výtryscích rychlostí dosahující téměř rychlosti světla až do mezigalaktického prostoru.

Jádro kupy galaxií v souhvězdí Persea a očekávané spektrum pomocí Atheny


Díky své spektrální citlivosti bude Athena schopná rozlišit jednotlivé spektrální čáry, které astrofyzikům dávají cenné informace o fyzikálních vlastnostech horkého plynu (teplota, ionizace, chemické složení apod.) nacházejícího se v mezigalaktickém prostoru uvnitř galaktických kup

Teoretická simulace záblesku nad černou dírou a časového šíření odrazu na akrečním disku okolo černé díry


Teoretická simulace záblesku nad černou dírou a časového šíření odrazu na akrečním disku okolo černé díry. Samotný disk připomíná výduť v důsledku zakřivení světlených paprsků v silném gravitačním poli. Barva znázorňuje změnu vlnové délky záření, způsobené překonáváním vysokého gravitačního potenciálu a také rychlou rotací disku – část zbarvená do modra se k nám přibližuje, naopak část zbarvená do červena se od nás vzdaluje a dochází tak k prodlužování vlnové délky nejen v důsledku silné gravitace, ale i výrazného Dopplerova jevu. Ve vnořeném diagramu je pak znázorněna deformace původně úzké spektrální čáry vznikající při odrazu záření na disku. Z jejího profilu je možné určit sklon disku i rotaci samotné černé díry.

Černá díra - cíl výzkumu Atheny

Černé díry vznikají gravitačním kolapsem hmoty. Dochází k tomu tehdy, kdy se na jednom místě nahromadí tolik hmoty, že její vlastní gravitace překoná všechny vazbové síly a veškerá atomová struktura se zhroutí. Uvnitř hvězd brání takovému gravitačnímu kolapsu zprvu tlak záření, pocházející z termonukleární syntézy vodíkových jader v centru hvězdy, a posléze, jakmile v jádře dohoří palivo, tlak elektronů či neutronů podle hmotnosti hvězdy. Pokud je ale zbytek hvězdy po vyhoření vodíku těžší než 3 hmotnosti Slunce, není znám žádný další fyzikální mechanismus, který by hroucení hvězdy zastavil a nevyhnutelně tak vzniká černá díra. Hmota se zhroutí do oblasti pod tzv. horizont událostí, z pod něhož se zpátky ven nemůže dostat nic, ani světlo. Odhaduje se, že takových černých děr je v naší Galaxii na sto milionů. Jen ale nepatrný zlomek můžeme pozorovat pomocí dalekohledů. Jsou to ty černé díry, které se krmí okolní hmotou. Ta je okolo černých děr zahřátá na miliony stupňů, a proto vyzařuje intenzivní rentgenové paprsky, které můžeme pomocí rentgenových detektorů na kosmických observatořích zachytit. Athena bude mít natolik citlivé detektory, že bude schopná zkoumat i další typ černých děr - černé veledíry sídlící uvnitř galaxií a vzdálených kvasarů. Jak se tyto černé veledíry zformovaly, dodnes zůstává záhadou. Athena by mohla část této hádanky pomoci rozluštit.