Promieniowanie rentgenowskie – rodzaj impulsów przenoszących energię – zostało odkryte w 1895 roku przez Wilhelma Conrada Röntgena. Niemiecki naukowiec otrzymał za to pierwszą w historii Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a samo promieniowanie rentgenowskie znalazło od tej pory szerokie zastosowanie w medycynie i innych dziedzinach nauki. O tym, że promienie X występują naturalnie również w kosmosie, wiemy od połowy ubiegłego wieku. Riccardo Giacconi otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2002 roku za odkrycie pierwszych kosmicznych źródeł promieniowania rentgenowskiego poza Układem Słonecznym. Dla astronomów bardziej interesujące, niż sama fala, jest jej źródło. Wiedza o tym, skąd się bierze promieniowanie rentgenowskie w przestrzeni kosmicznej, dostarcza bowiem mnóstwo informacji na temat budowy Wszechświata i obiektów w nim się znajdujących.
Promieniowanie X jest wynikiem m.in. ekstremalnych zjawisk w galaktycznej otchłani. Może być emitowane w układach podwójnych gwiazd, w których rozgrzana materia opada na czarną dziurę lub gwiazdę neutronową. Promieniowanie rentgenowskie jest również emitowane z pozostałości po eksplozjach supernowych. A to nie wszystko. Dzięki zaawansowanym technologiom udaje się zarejestrować wiele znacznie bardziej subtelnych sygnałów z kosmosu, które świadczą o mniej „wybuchowych” źródłach ich powstawania. Pozwala to uzupełniać mapę kosmosu o zupełnie nowe obiekty.
Polskie odkrycia w kosmosie
Nieznane dotąd źródła promieni X udało się ostatnio zlokalizować w Obłokach Magellana. Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez dr. Przemysława Mroza z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, odkrył je dzięki ponad 30-letnim obserwacjom zebranym w ramach projektu OGLE. Kierowany przez prof. Udalskiego i przeprowadzany przez UW projekt Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) korzysta z teleskopu znajdującego się w Chile. Średnica zwierciadła tego urządzenia to zaledwie 130 cm – dla porównania teleskop Hubble’a ma średnicę 240 cm, a największe współczesne teleskopy optyczne na świecie są wyposażone w zwierciadła o średnicy około 10 metrów! Lustro o średnicy 39 metrów będzie miał teleskop ELT – ten jest w trakcie budowy.
Sprzęt wykorzystywany przez badaczy UW systematycznie monitoruje wybrane obszary nieba, rejestrując zmiany jasności miliardów gwiazd. Dzięki temu można wykrywać niezwykłe wydarzenia astronomiczne. W ramach projektu OGLE monitorowana jest jasność ponad 2 miliardów gwiazd, dzięki zebranym pomiarom powstała jedna z największych baz danych o gwiazdach zmiennych na świecie.
Obłoki Magellana to nasi bliscy, kosmiczni sąsiedzi. To galaktyki satelitarne – krążą wokół Drogi Mlecznej, przyciągane przez jej grawitację. A dzięki temu, że są bogate w różnorodne obiekty, stanowią wyjątkowe laboratorium dla astrofizyków. Dzięki wieloletnim pomiarom jasności gwiazd prowadzonym w ramach projektu OGLE, badacze znaleźli grupę obiektów wykazującą nietypowe, powtarzające się pojaśnienia. Obserwacje jednego z tych obiektów, wykonane za pomocą satelitarnego teleskopu rentgenowskiego Swift, wykazały emisję promieniowania X o mocy przewyższającej moc promieniowania Słońca sto razy. W połączeniu z wcześniejszymi obserwacjami wykonanymi przy pomocy satelitów Swift i Chandra, astronomowie zidentyfikowali nową klasę źródeł promieniowania X. Mówiąc prościej – Polakom udało się odnaleźć w kosmosie dotąd nieznane nauce obiekty, które nazwali milinowymi.
– Każde odkrycie nowej klasy obiektów może prowadzić do ciekawych i ważnych wniosków. W końcu nikt wcześniej nie wyobrażał sobie, że takie obiekty mogą istnieć. W przypadku gwiazd milinowych istotne jest zrozumienie jakie procesy prowadzą do produkcji promieniowania rentgenowskiego, które w nich obserwujemy. Istnieje kilka możliwych wyjaśnień i potrzebne są dalsze obserwacje, żeby zweryfikować te różne hipotezy. W tym celu planujemy ze współpracownikami wykonanie dodatkowych pomiarów za pomocą największych współczesnych teleskopów rentgenowskich – tłumaczy dr Przemysław Mróz.
Nowe ciała niebieskie – milinowe
Milinowe to obiekty o jasności tysiąc razy mniejszej niż gwiazdy nowe klasyczne, które tymczasowo emitują promieniowanie rentgenowskie w trakcie wybuchu. W przeciwieństwie do nowych klasycznych, wybuchy nie są związane z wyrzutem materii z układu.
– Nazwaliśmy je milinowymi, ponieważ w maksimum jasności są o około 1 000 razy słabsze niż gwiazdy nowe klasyczne – dodaje dr Mróz.
Według jednej z teorii to układy podwójne, w których jedna z gwiazd jest białym karłem, a druga dostarcza materii. Przepływ gazu z gwiazdy-sąsiadki na powierzchnię białego karła może generować długotrwałe rozbłyski powiązane z emisją promieniowania rentgenowskiego.
Alternatywna hipoteza sugeruje, że promieniowanie X może powstawać w wyniku wybuchów termojądrowych na powierzchni białych karłów – niezwykle gęstych pozostałości po gwieździe podobnej do Słońca. W tym scenariuszu cienka warstwa gazu, bogata w wodór, ogrzewa się do temperatury kilkunastu milionów stopni Celsjusza, do momentu krytycznego zapłonu, podczas którego emitowane jest promieniowanie rentgenowskie. Jeśli ta druga hipoteza jest prawdziwa, milinowe mogą okazać się niezwykle istotne w badaniach kosmosu. Wzrost masy białego karła w takim układzie może doprowadzić do przekroczenia granicznej wartości (około 1,4 masy Słońca), co skutkuje wybuchem supernowej typu Ia. A ten rodzaj supernowych – czyli gwiazd po eksplozji – pełni w kosmosie rolę podobną do latarni morskich.
– Wybuch ten nie jest na tyle silny, żeby odrzucić materię, która zgromadziła się na powierzchni białego karła. Jeżeli tak jest, to jego masa powinna systematycznie rosnąć. W pewnym momencie powinna przekroczyć maksymalną dozwoloną masę białych karłów – tzw. granicę Chandrasekhara – wtedy gwiazda ulega całkowitemu zniszczeniu i następuje tzw. wybuch supernowej typu Ia. Te obiekty są bardzo ważne, bo służą do pomiarów odległości w kosmosie. Problem w tym, że astronomowie wciąż nie wiedzą jakie obiekty kończą życie jako supernowe typu Ia, co stawia pod znakiem zapytania ich użyteczność do wykonywania precyzyjnych pomiarów odległości – wyjaśnia badacz.
Kosmiczne latarnie
Supernowe typu Ia mogą być używane do wyznaczania odległości we Wszechświecie, ponieważ ich jasność absolutna jest dobrze znana. Porównując jasność obserwowaną (jaką widzimy z Ziemi) z jasnością absolutną, naukowcy mogą obliczyć odległość do miejsca eksplozji. Tego rodzaju wybuchy nazywane są w kosmologii „świecami standardowymi”.
Eksplozje supernowych typu Ia dostarczały już wcześniej kluczowych informacji o przyspieszającym tempie ekspansji Wszechświata, co zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w 2011 roku. Odkrycie milionowych otwiera zupełnie nowe drogi w astrofizyce. Daje zupełnie nowe możliwości badań nad ewolucją gwiazd i pochodzeniem supernowych.
Już teraz planowane są misje, które mają pozwolić na bardziej szczegółowe badania tych niezwykłych zjawisk. Może być w nich wykorzystany teleskop Athena – teleskop rentgenowski nowej generacji planowany przez Europejską Agencję Kosmiczną z planem wyniesienia na orbitę w następnej dekadzie. Również w tym projekcie duży udział mają polscy naukowcy i polskie instytuty badawcze.
Polacy w kosmosie
Obserwatorium Astronomiczne UW od lat rozwija własne projekty, takie jak OGLE, i współtworzy największe bazy danych astronomicznych na świecie. Zarządza również jednym z najważniejszych teleskopów optycznych na południowej półkuli. Odkrycie milinowych, czyli zupełnie nowej klasy obiektów rentgenowskich, to nie tylko przełom w badaniach nad ewolucją układów podwójnych, ale również ważny krok w zrozumieniu mechanizmów prowadzących do powstawania supernowych. Odkrycia takie jak milinowe inspirują także kolejne pokolenia młodych badaczy, pokazując, że przełomowe osiągnięcia są możliwe również nad Wisłą – pod warunkiem współpracy, cierpliwości i dostępu do światowej klasy infrastruktury.
