Vedci zachytili najväčšiu explóziu od počiatku civilizácie

Prevádzkovateľom je Technická univerzita v Košiciach a jej vývoj spolu s maďarskými a japonskými kolegami inicioval slovenský astrofyzik Norbert Werner. Rozpráva o tom, že miniatúrne družice majú sľubný potenciál, aj pre pracovné príležitosti na Slovensku, no aj o tom, že zlato v prsteňoch nepochádza zo Zeme, ale z udalosti staršej ako Slnko.

Odkiaľ pochádzajú gama záblesky?

Sprevádzajú vznik čiernych dier. Takže sme videli záblesk z momentu vzniku čiernej diery v ďalekej galaxii. Galaxii takej vzdialenej, že trvalo 1,9 miliardy rokov, kým sa k nám dostalo svetlo. Tieto záblesky sú také jasné, že v určitom momente môžu žiariť silnejšie, než všetky ostatné hviezdy vo vesmíre dohromady.

Čítajte aj Ľudstvo uvidelo neviditeľné. Čo bude ďalej po zverejnení obrázku čiernej diery?

Je možné to pozorovať voľným okom?

Je to v gama oblasti spektra. Vieme, že žiaria aj v optickej oblasti a bolo zaznamenaných pár zábleskov, ale nie je to niečo, čo by človek videl voľným okom.

Ako boli tieto záblesky objavené?

V 60. rokoch, v dobe, keď sa podpísala zmluva o zákaze pokusných jadrových výbuchov v atmosfére, oceánoch a vo vesmíre, vyslali Spojené štáty americké do vesmíru vojenské družice, ktoré boli schopné zaznamenať gama záblesky z týchto jadrových explózií. Ak by totiž atómová bomba vybuchla vo vesmíre alebo vo vysokej výške v atmosfére, nezachytili by sme tlakovú vlnu, ale zaznamenali by sme gama žiarenie. Nuž a práve tieto vojenské družice ako prvé zaznamenali gama záblesky z ďalekého vesmíru.

Aj napriek ohromnej vzdialenosti – 1,9 miliardy rokov, vedci o tomto záblesku píšu, že bol nezvyčajne blízko. Prečo?

Keď sa pozeráme na veľké vzdialenosti, hľadíme do minulosti vesmíru. Pred 10 až 12 miliardami rokov vznikalo najviac hviezd vo vesmíre. Tým pádom vznikalo aj veľa hmotných hviezd, ktoré žili veľmi krátko a na konci svojho života sa premenili na čiernu dieru a vtedy vyžiarili záblesk gama žiarenia. Práve z tohto obdobia pozorujeme najviac gama zábleskov. Aj preto možno spomínaný záblesk považovať za výnimočný.

A môže sa stať, že budeme pozorovať ešte bližší záblesk?

Ak by sa takýto záblesk odohral vo vzdialenosti iba niekoľko tisíc svetelných rokov, mohol by ohroziť život na Zemi. Ale to sa nestane, pretože v takejto vzdialenosti neexistuje objekt, ktorý by mohol byť zdrojom záblesku. V takejto vzdialenosti od Zeme neexistuje taká hmotná hviezda alebo pár neutrónových hviezd, ktoré by mohli spôsobiť gama záblesk.

Ale je možné, že v minulosti niečo také našu planétu ovplyvnilo?

Existujú vedecké články, ale ide skôr o minoritný názor, že prvé veľké vymieranie pred 500 miliónmi rokov, keď vyhynuli napríklad trilobity a s nimi aj 85 percent ďalších organizmov, spôsobila práve takáto udalosť. Relatívne blízky gama záblesk. Ale nie je to potvrdené, vedci sa zhodujú skôr na tom, že to spôsobila zmena klímy.

Ako by mohol gama záblesk vyhubiť takmer všetok život?

Narušil by chemické zloženie atmosféry a ozónovú vrstvu.

Koľko trvá gama záblesk?

Poznáme takzvané krátke a dlhé záblesky, tie trvajú desiatky sekúnd. K dlhým zábleskom radíme aj ten z minulého roka, trval asi 300 sekúnd.

Akú mal energiu v porovnaní so Slnkom?

Ak by sme to porovnali s pomocou vzorca E=mc², tak by nám vyšiel 6,5-násobok hmotnosti Slnka, ak by išlo o energiu vyžiarenú do každého smeru. V prípade gama zábleskov však ide o úzke lúče, po anglicky jets. Toto je podstatný detail, ktorý miatol vedcov, keď objavili prvé gama záblesky. Pôvodne sa totiž uvažovalo, že ide o energiu vyžarovanú do všetkých smerov (tak ako to dnes vyžaruje naša hviezda – Slnko, pozn. red.). Vedcom preto vychádzali neuveriteľné energie, ktoré pritom pochádzali zo vzdialeného vesmíru. Bolo to čosi veľmi ťažko vysvetliteľné. Dnes však už vieme, že vyžiarenej energie je oveľa menej. Táto energia sa nevyžiari do každého smeru, ale pozdĺž úzkych lúčov pod uhlom niekoľko stupňov – pri tom najjasnejšom z októbra minulého roka to bol dokonca len jeden stupeň.

Takže vieme len o gama zábleskoch, ktoré sú nasmerované na Zem?

Presne tak. Gama záblesky pritom pozorujeme každý deň. No keďže vidíme len tie lúče, ktoré zasahujú Zem, je ich v skutočnosti oveľa viac. Denne vzniká vo vesmíre mnoho čiernych dier.

Ako ste s kolegami reagovali, keď vás oslovila NASA, či máte dáta k záblesku?

Kolegovia z NASA vedeli, že máme malý cubesat a dúfali, že sme zachytili záblesk v špičke. Detektor na vesmírnej družici Fermi bol totiž zahltený. Náš detektor nie, takže sme dokázali zaznamenať jas gama záblesku aj v špičke. A práve toto bola extra informácia, ktorú naša družica dokázala ponúknuť. Pomôže pochopiť, aká bola celková energia, ktorá sa uvoľnila pri premene tejto hviezdy na čiernu dieru.

A čo nové ste sa vďaka tomu dozvedeli o čiernych dierach?

Pre vedeckú komunitu bolo najzaujímavejšie zistenie, že sa zachytili extrémne energetické častice svetla, podarilo sa to čínskemu detektoru LHASSO v Himalájach. Vôbec sme nečakali, že by takéto častice dokázali preletieť vesmírom 1,9 miliardy rokov bez toho, aby sa rozbili na ďalšie fotóny a častice. Toto trochu narúša naše základné predpoklady o fyzike.

Veľký detektor na družici Fermi záblesk zahltil, vašu miniatúrnu družicu nie. Ako je to možné?

Jedno z vysvetlení je skryté práve v tom, že náš detektor je malý (usmieva sa). A tiež zachytáva fotóny s vyššou energiou, ktorých je v záblesku menej. Ale tu musím vyzdvihnúť, že náš detektor je inovatívny. Ide o nový dizajn. Každý detektor obsahuje kryštál. Keď ho zasiahne gama fotón, premení ho na optické fotóny, čiže fotóny vo viditeľnom spektre a tieto vieme zaznamenať pomocou kremíkových detektorov. A práve tie leteli teraz do vesmíru možno po prvýkrát, v našej družici. Na veľkých družiciach ešte neboli nikdy použité. Sú malé, pracujú pod relatívne nízkym napätím, sú perfektné pre cubesat – miniatúrnu družicu. Bez týchto kremíkových detektorov by experiment ani nebol možný. Ide o novú technológiu, ktorú ešte len overujeme, ako funguje vo vesmíre.

Foto: Radek Míča, Universitas

RADEK MÍČA, UNIVERSITAS Norbert Werner.

Ako to hodnotíte po dvoch rokoch fungovania družice GRBAlpha?

Musím povedať, že technológia sa osvedčila. Som presvedčený, že sa čoskoro využije aj na veľkých družiciach. Keď o našom projekte hovoríme na vedeckých konferenciách, ľudí zaujíma najmä to, ako naše detektory degradujú na obežnej dráhe. Máme o tom veľmi cenné dáta, ktoré pomôžu práve v tom, aby sa táto technológia preniesla aj na veľké misie.

Ale je pravda, že vy sám ste spočiatku od družice GRBAlpha nemali veľké očakávania?

Cieľom našej misie bolo overenie technológie. Učiť sa. Vyskúšať kremíkové detektory, získať skúsenosti. To bol hlavný míľnik. Lenže my sme už v auguste 2021 zachytili prvý gama záblesk! Už to som vnímal ako prekonanie našich pôvodných, obmedzených cieľov. Družica bola navrhnutá tak, že softvér sa v nej dá stále vylepšovať, inovovať. Od augusta minulého roku dokáže družica vďaka inovovanému softvéru fungovať 24 hodín denne. A odkedy funguje celý deň, detekujeme gama záblesk z vesmíru každý týždeň. Dodnes sa ich nazbieralo okolo 45. Rovnaké detektory sme umiestnili aj na českú družicu, spolu s ňou máme zaznamenaných vyše 80 gama zábleskov z vesmíru. A sme prví na svete, ktorým sa toto podarilo s pomocou cubesatov. GRBAlpha mal byť pôvodne „iba“ technologický experiment, stala sa však z toho najmenšia astrofyzikálna družica na svete. Dnes nám poskytuje pravidelné merania a dáta. Ide o prvý cubesat na svete, ktorý slúži na detekovanie gama zábleskov.

Je prvý, ale zrejme nebude jediný.

Už tento rok pôjde do vesmíru americký cubesat, ktorý stavia NASA. Chystajú sa ďalšie cubesatové misie na detekovanie gama zábleskov.

Ako dlho váš cubesat vydrží?

Vo vesmíre sú častice, elektróny, protóny, kozmické žiarenie, ktorému musí družica odolávať. Keď náš cubesat fungoval rok, už vtedy sme boli spokojní, lebo to bol náš cieľ. Je to však už druhý rok, čo úspešne funguje na obežnej dráhe a myslím si, že samotný detektor by mohol fungovať ďalšie dva roky, už vieme, že nebude tak výrazne degradovať.

Ako vidíte budúcnosť malých družíc?

Ide o trend. Zlacňuje sa doprava do vesmíru. V súčasnosti napríklad Space X prevádzkuje misie Transporter, počas ktorých tri aj štyrikrát za rok vypustí raketu, v ktorej je veľa rôznych nákladov. Cena sa pritom nemení, či má náklad 20 alebo 200 kilogramov. Platí sa len za miesto v rakete. Takže už netreba tak výrazne optimalizovať hmotnosť. Preto sa cenovo dostupnými stávajú už aj družice, ktoré majú 100 kilogramov. Už to nemusí byť cubesat. A práve v týchto družiciach vidím obrovský potenciál pre rôzne oblasti. Napríklad malé vesmírne ďalekohľady. Každý z nich viete optimalizovať pre inú časť spektra. Už to nemusí byť jedna veľká družica, ktorá robí všetko, ale väčšie množstvo malých družíc, užšie špecializovaných. Myslím si, že to otvorí vedu pre viac ľudí a pre viac nápadov. Takéto misie dokážu vedu nesmierne obohatiť.

A koľko by to stálo?

Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba stál 10 miliárd dolárov a trvalo 30 rokov uskutočniť túto misiu. A teraz nebudem hovoriť o cubesatoch, ale o misiách s hmotnosťou 100 kilogramov. To môže vyjsť odhadom na 20–30 miliónov eur a dá sa to uskutočniť za tri až štyri roky. Vývojový cyklus je kratší, možno použiť najnovšie technológie. Vo vesmírnom ďalekohľade Jamesa Webba sú technológie už staré.

Ako bude pokračovať váš výskum?

Naším cieľom je vypustiť flotilu malých družíc, ktoré pokryjú celú oblohu tak, aby každá jej časť bola v danom čase pozorovaná aspoň tromi satelitmi. To zabezpečí, že nám žiaden gama záblesk neunikne a zároveň budeme môcť merať časovú odchýlku medzi cubesatmi. A práve na základe toho budeme vedieť záblesk lokalizovať a budeme schopní varovať pozorovateľov na Zemi, kam majú namieriť svoje ďalekohľady, aby tento úkaz podrobne skúmali. Takáto konštelácia cubesatov by dokázala výborne dopĺňať prácu veľkých ďalekohľadov. Iniciovali sme vznik svetovej komunity, usporiadali dve konferencie, kde sme sa dohodli, že budeme zdieľať dáta, skúsenosti. Možno takto prispejeme k tomu, že sa vytvorí medzinárodná sieť malých družíc.

A rozbiehate aj spomínané 100-kilogramové misie?

V Českej republike prebieha ambiciózny projekt, v rámci ktorého sme spoločne s českým Výskumným a skúšobným leteckým ústavom (VZLÚ) navrhli vesmírny UV ďalekohľad, ktorý bude schopný pozorovať kilonovy. Robíme štúdiu pod dohľadom Európskej vesmírnej agentúry.

O aké objekty ide?

Kilonova je pozostatkom zrážky neutrónových hviezd. Pri takejto zrážke vzniká spomínaný krátky gama záblesk a práve tu vznikajú prvky ťažšie ako železo, napríklad platina, zlato.

Čítajte aj Zachránili sme pralesy. Zachránia nás?

Takže nie je to tak, že zlato, ako si mnohí dodnes myslia, vzniklo v hlbinách Zeme?

Po Veľkom tresku vznikli vodík a hélium. Všetky ostatné prvky sa utvorili vo hviezdach, po železo. Ani to sa nevytvorilo kdesi v hlbinách Zeme vplyvom vysokých tlakov. A rovnako ani zlato nemohlo vzniknúť na našej planéte. Ak máte retiazku či prsteň zo zlata, tak s veľkou pravdepodobnosťou pochádza zo zrážky neutrónových hviezd.

Keďže GRBAlpha skonštruovali slovenské firmy, môže to znamenať, že sa črtá veľká príležitosť pre Slovensko? Bude dopyt?

Samozrejme, určite! Úprimne musím povedať, že je krásne, že prvý astrofyzikálny nanosatelit na detekciu gama zábleskov letí pod slovenskou vlajkou. Vývoj detektora a financovanie veľkej časti misie pochádza od Observatória Konkoly v Budapešti, z grantu od Maďarskej akadémie vied. Projekt viedol maďarský kolega András Pál. Kontaktovali sme vtedy slovenské firmy Needronix a Spacemanic, ktoré postavili skCUBE (slovenská družica vynesená na nízku obežnú dráhu v roku 2017). Svoje skúsenosti využili pri GRBAlpha, ďalej pri GRBBeta a ďalších projektoch.