 |
|
|
| |
Gammakiirguse
sähvatused - surmaoht tsivilisatsiooni kohal
MIHKEL JÕEVEER (1937)
Tartu Observatooriumi kosmoloogiarühma juhtteadur. Füüsika-matemaatikakandidaat. |
|
| |
Astronoomias on tavaliselt tegemist suurte arvudega. Suured
on taevakehade mõõtmed ja omavahelised kaugused, vastavalt
sellele on pikad ka muutustega seotud ajavahemikud. Meie
Päike on mitu miljardit aastat säranud enam-vähem sama heledusega
kui nüüdisajal ja nii peaks see jätkuma ka mitme järgneva
miljardi aasta jooksul. Õige püsivad on ka valdav enamik
teisi tähti. Antiikajal sätendas taevas inimeste peade kohal
samamoodi nagu praegu. Suurteks ja harvadeks eranditeks
on aeg-ajalt ootamatult süttivad noovad ja eriti supernoovad,
kus tähe heledus võib mõne päevaga kasvada miljoneid kordi,
et jääda maksimumi ümbruses mõneks päevaks stabiilseks ja
seejärel aegamööda kustuda. Aastakümneid peeti supernoovasid
kõige "äkilisemateks" suure võimsusega astronoomiliste
sündmuste seas ning enamik astronoome ei näinud vist uneski,
et kuskil palju hullemaid plahvatusi ette tuleb. Kui tähistaevast
jälgitaks vaid traditsiooniliste optiliste vahenditega,
siis arvaksime seda siiani.
Gammakiirguse militaarsed vahimehed
1950. aastate lõpul sai suurriikidele selgeks tuumakatsetustest
tekitatud radioaktiivse saasta ohtlikkus keskkonnale ning
alustati läbirääkimisi tuumakatsetuste keelustamiseks Maa
atmosfääris ja kosmoses. Kohe tekkis aga küsimus: kuidas
kontrollida, et partner ikka lubadusi täidab. Kosmoses plahvatav
tuumapomm tekitab võimsa röntgenikiirguse impulsi, millega
kaasnevad energiarikas gammakiirgus ja neutronite voog.
USA tuumauuringute keskuses Los Alamoses asuti kiiresti
projekteerima ja ehitama vastavate detektoritega varustatud
Maa tehiskaaslasi.
1963. aasta oktoobris lennutasid USA õhujõud 250 000 km
kõrgusele orbiidile tuumakatsetuste jälgija Vela 1
(hispaania k. öövalve). Tegemist oli kahe identse satelliidiga,
mis liikusid samal orbiidil, aga üks teisest pool ringi
eespool, nii et üks kaksikutest registreeris Maa ühel poolel,
teine vastaspoolel toimuvat. Vela 1 ja selle järglased
tegutsesid edukalt, aga õnneks maapealseid tuumaplahvatusi
nad ei registreerinud. Tuumariigid pidasid kinni katsetuste
keelustamise kokkuleppest. Kuid päris ilma tööta vahimehed
ei olnud, vahetevahel registreerisid nende vastuvõtjad lühiajalisi
gammakiirguse sähvatusi. Et Vela kiirgusdetektorid
nendeni jõudnud gamma-kvantide saabumissuunda ei osanud
määrata, siis jäi kiirte allikate osas peaaegu kõik lahtiseks.
Esialgu õnnestus välistada vaid tuumakatsetuste võimalus,
sest gammasähvatustega samaaegseid, tuumapommide plahvatustele
iseloomulikke tugevaid röntgensähvatusi ei registreeritud.
Et asi oli intrigeeriv, hakati järgmistele vahimeestele
paigaldama täpseid kellasid. Vela 5 ja Vela 6
registreerisid gammasähvatuste toimumisaegasid täpsusega
1/64 sekundit. Kellaaegade võrdlemise kaudu oli lihtne näha,
milline satelliit oli sündmusele lähemal, milline kaugemal
ja nii sai hinnata allika suunda. Selline suuna määramine
vastava geomeetria ülesande lahendamise kaudu on seda täpsem,
mida täpsemad on satelliitidel asuvad kellad, mida kaugemal
satelliidid üksteisest asuvad ja mida rohkem neid on. Ühese
lahendi saab, kui mõõtmisi teevad 4 või rohkem satelliiti.
Niiviisi õnnestus võimalike gammasähvatuste allikate seast
kõrvale jätta Maa ja Päike.
1973. aastaks olid määratud 16 gammasähvatuse asukohad taevasfääril,
nende jaotuses polnud eelissuundi. See peaaegu välistas
võimaluse, et sähvatused toimuvad Päikesesüsteemis ning
oli alust kahtlustada, et sähvatuste allikad võivad asuda
koguni väljaspool Galaktikat, kusagil väga kaugel. Lihtsad
kalkulatsioonid näitasid, et tõenäoliselt on tegemist väga
energiarikaste protsessidega. Et aga kõik toimub väga kaugel
ning tegemist ei ole vaenuliku riigi militaarse tegevusega,
siis läks nähtuse edasine uurimine kaitseministeeriumide
valdkonnast tsiviilteadlastele. Uute gammakiirguse teleskoopide
ja observatooriumide ehitamine ja projekteerimine hakkas
käima astronoomide eestvedamisel.
Tänapäevased gammakiirguse observatooriumid
Praegu liigub maaringsetel orbiitidel kümmekond gammakiirguse
vastuvõtjatega varustatud satelliiti. Parimate vaatlusvõimalustega
on 1991. aastal üles saadetud USA 17tonnine gammaobservatoorium
CGRO (Compton Gamma Ray Observatory). Sellel observatooriumil
asub üks tema olulisem seade — BATSE (Burst and Transient
Source Experiment, Sähvatavate ja Ajutiste Kiirgusallikate
Detektor). BATSE gammakiirguse vastuvõtjad on palju tundlikumad
kui varasematel vahimeestel. See võimaldab kindlaks määrata
ka hoopis nõrgemaid gammasähvatusi. Kui varem oli uue gammasähvatuse
avastamine tähelepanuväärne sündmus, siis BATSE jaoks on
see sõna otseses mõttes igapäevane tegevus, sest pea iga
päev registreeritakse mõni uus sähvatus.
BATSE määrab ka sähvatuse allika suuna. Gammaobservatoorium
on suure kasti kujuline, mille igas nurgas asub kiirgustajur.
Millises ootamatus suunas ka järjekordne gammasähvatus ei
toimu, ikka "valgustab" ta kasti nelja nurka,
mõnda otse, mõnda kaldu. Selle järgi, kui intensiivselt
ühe või teise nurga detektorid kiirgust registreerivad,
on võimalik leida suund kiirgusallikale. Seda küll ainult
täpsusega mõni kaarekraad.
Peagi selgus, et eelissuundi ei ole, allikad jaotuvad ühtlaselt
üle taevasfääri. Sähvatuste ajalise arengu uurimine näitas,
et igal sähvatusel on oma nägu. Vahel on selleks ainult
sekundiline terav üksikimpulss, mõnel sähvatusel võib olla
üks või mitu laiemat maksimumi, teisel jälle hulk kammipiide-kujulisi
teravaid impulsse jne. Nähtus on alati lühiajaline ja sulab
sadakonna sekundiga või kiiremini üldise gammakiirguse fooni
sisse.
BATSE-le pandi suuri lootusi. Usuti, et tema poolt leitavate
arvukate sähvatuste seast õnnestub kohe identifitseerida
vähemalt osa objekte ka optilises kiirguses. Optiline kiirgus
kannab endas rikkalikku informatsiooni, ja astronoomidel
on palju kogemusi selle analüüsimiseks. Kuid gammasähvatuste
alal varjab loodus hoolega oma saladusi. Kui optilised teleskoobid
jõudsid uurima BATSE näidatud taevaalasid, ei leitud sealt
enam midagi tähelepanuväärset. Asuti otsima võimalusi koordinaatide
täpsemaks määramiseks ning kiiremini reageerivaid optilisi
vaatlusvahendeid tegema.
Esimene läbimurre toimus 1997, kui Itaalia-Hollandi satelliit
BeppoSax, millel asuvad nii gamma- kui röntgenikiirguse
vastuvõtjad, registreeris 28. veebruaril gammasähvatuse
GRB 970228 (Gamma Ray Burst, aasta, kuu, päev; gammakiirguse
sähvatus niisiis 1997. aasta 28. veebruaril). Õnneks vaatas
samal ajal õiges suunas satelliidi laia vaateväljaga (40x40
kraadi) röntgenikaamera, mis registreeris uue röntgenikiirguseallika
tekke ja määras selle täpse asukoha. Ajalise kokkulangemise
tõttu polnud kahtlust, et tegemist oli sama sündmuse registreerimisega
erinevates kiirgustes. Allika koordinaadid teatati optilistele
astronoomidele, aga kulus siiski 21 tundi, kuniks optilised
teleskoobid jõudsid vaatlemiseni. BeppoSaxi röntgenikaameralt
näidatud asukohas leiti väga nõrk udune laik (tõenäoliselt
ülikauge galaktika), mille servas asus kiiresti nõrgenev
punktallikas (tõenäoliselt see, mis plahvatavast objektist
oli järele jäänud). Objekti nõrkuse tõttu ei suudetud temast
suurt midagi teada saada. Küll sai tugeva kinnituse oletus,
et gammasähvatused toimuvad kaugetes galaktikates. Selgus
ka, et astronoomide koostööd on vaja veelgi tõhustada. Täistabamuseni
jäi siis veel peaaegu kaks aastat.
Lõpuks ometi tabatakse ka optiline sähvatus
Selle aasta 23. jaanuaril kell 9:47 Greenwichi ajas registreeris
BATSE järjekordse gammasähvatuse alguse, määras kohe allika
ligikaudsed koordinaadid. Jätkates ise sähvatuse arengu
jälgimist, saatis teate toimuvast Maale. Idapoolkeral oli
päev, läänepoolkeral öö. 4 sekundit pärast sähvatuse algust
jõudis teade interneti vahendusel Los Alamoses möödunud
kevadest tegutseva automaatkaamera ROTSE-1 juhtarvutisse.
ROTSE-1 (Robotic Optical Transient Search Experiment)
kujutab endast nelja Canoni telefoto-objektiivi (igaühe
läbimõõt 11 cm) ja CCD-tüüpi kiirgusdetektorite baasil ehitatud
suhteliselt odavat (hind 200 000 dollarit) automatiseeritud
väiketeleskoopi. Tänu väiksusele on ta kiirelt manööverdav
ja tal on suur vaateväli (16x16 kraadi). Oma tavaliste öiste
patrullvaatluste ajal jõuab ta ekspositsioonidega katta
kogu asupaigakohas näha oleva tähistaeva ning niiviisi silma
peal hoida miljonitel tähtedel, jäädvustada meteoornähtusi
(vt. Horisont nr. 3 1999, lk. 12), avastada komeete jne.
Pärast BATSE-lt teate saamist katkestas ROTSE-1 parajasti
poolelioleva patrullvaatluse, pööras kaamera objektiivid
Karjuse tähtkuju poole GRB 990123 allika suunas ja alustas
uut ekspositsiooni. Orbiidil registreeritud sähvatuse algusest
oli möödunud ainult 10 sekundit. Tundub, nagu oleks automaatki
närveerinud olulise vaatluse tegemisel, esimene võte ebaõnnestus!
Kuid 22 sekundit pärast gammasähvatuse algust tehtud teine
5sekundiline ekspositsioon ja järgnevad tabasid kümnesse.
ROTSE-1 ühe ekspositsiooniga jäädvustatakse suurusjärgus
100 000 tähte ning esialgu polnud astronoomidel selgust,
kas neil midagi kasulikku piltidele jäi. Tuli veidi oodata.
Samal ajal jätkasid tööd orbitaalobservatooriumid ning USA
mitme suure optilise teleskoobi vaatlejatel oli välja kuulutatud
valmisolek nr. 1. Õhus oli elektrit, aeg jooksis ja hommik
ligines. Idarannikul oli päike juba tõusnud, kui 3,7 tundi
pärast sähvatust õnnestus meile juba tuttaval BeppoSaxil
oma röntgeniteleskoobiga tehtud vaatluste alusel määrata
GRB 990123 täpsem asukoht ning saata andmed Maale. Kohe
läksid läänerannikul Californias tööle Palomari observatooriumi
1,5 m ja 5 m optilised teleskoobid ning ka neil õnnestus
allika suunalt pilt teha. Oli ka viimane aeg, idataevas
juba ahetas, päikesetõusuni jäi tund.
Sellal, kui Palomari mehed oma hiiglastega tööd tegid, uuris
ROTSE-1 meeskond eesotsas prof. Carl Akerlofiga,
kas nende tehtud piltidel on mingeid GRB 990123 jälgi BeppoSaxi
näidatud koha lähedal. Oh seda rõõmu, oli küll ning tervelt
kuuel pildil oli gammasähvatuse allika täheline optiline
kujutis selgelt olemas. Esimesel õnnestunud ekspositsioonil
oli ta nähtav 12. tähesuurusega tähena, 25 sekundit hiljem
tehtud pildil oli ta 14 korda heledam (tähesuurus 8,95),
aga edasi hakkas sähvataja heledus kiiresti langema. 9,5
minutit pärast maksimumi (kuues ekspositsioon) oli allika
heledus vähenenud juba 170 korda (14,53 tähesuuruseni) ning
järgmistel piltidel objekti enam näha ei olnud. Siiski oli
ROTSE-1 teinud töö, mida mitmed suured observatooriumid
olid üritanud kümneid aastaid. Esmakordselt oli jäädvustatud
gammasähvatuse optiline heleduskõver maksimumheleduse ajal.
Osutus, et sähvatus optilises valguses oli pea sama äkiline
kui gammakiirtes. Optiline sähvatus võis jõuda maksimumi
mõni sekund pärast gamma maksimumi ja langus võis olla veidi
aeglasem. Milline on optiliste sähvatuste peenstruktuur,
seda tuleb määrata järgmistel "kiirreageerijatel".
Juba praegu võib öelda, et ROTSE-1 oleks võinud teha rohkem
ja lühemaid ekspositsioone, aga kes seda ette teadis! Astronoomid
olid valmis üllatusteks ning jäädvustatud sähvatuse kõrge
maksimaalheledus, ehkki lühiajaline, oligi kõige üllatavam.
Peaaegu universumi teisel serval toimunud sündmus olnuks
nähtav isegi tavalise binokliga varustatud vaatlejale, muidugi
õigel ajal õiges suunas vaadates.
Kui Palomari astronoomid oma pilte uurima asusid, sai selgeks,
et nendegi kiirustamine polnud asjatu, gammaobjekt paistis
piltidel selgelt, kuid vaid mõni tund varem tehtud ROTSE-1
vaatlustega võrreldes oli ta heledus jõudnud väheneda juba
10 000 korda. Ehkki GRB 990123 optiline järelheledus kahanes
kiiresti ka järgmiste päevadega, jäi ta suurtele teleskoopidele
kättesaadavaks siiski mitmeks järgnevaks nädalaks. Allika
spektrites registreeriti palju ioniseeritud metallidele
(Al, Zn, Cr, Fe, Mg) iseloomulikke neeldumisjooni. Sellised
jooned esinevad ka paljude kaugete kvasarite spektrites.
Nende joonte asukohtade järgi mõõdeti allika punanihkeks
z = 1,60. Allika nõrgenedes, ilmus tema hajunud valguse
tagant välja nõrk galaktika, milles grandioosne plahvatus
ilmselt toimus. Galaktika punanihe osutus võrdseks gammaallika
omaga.
Kauge plahvatuse ohtlik energia
Levinuima kosmoloogilise mudeli järgi vastab punanihkele
1,6 kaugus 3,7x1025 km. Kaugust teades saab teha
hinnanguid gammasähvatusel eraldunud energia kohta. Kui
plahvatus oli enam-vähem sümmeetriline, siis ainuüksi gammakiirgust
vabanes 3,4x 1054 ergi, mille massi ekvivalent
on 1,9 Päikese massi. Kaks Päikest oleks nagu mõne sekundi
jooksul muutunud energiaks ja hajunud maailmaruumi. Seda
koletut energiahulka on raske millegi kogemuslikuga võrrelda.
Võrdlusvõimalus on olemas optilise kiirguse osas. ROTSE-1-lt
registreeritud heledusmaksimumi ajal kiirgas GRB 990123
nagu 3x1016 Päikest, ehk miljon korda rohkem
kui normaalgalaktika. Kui plahvatus toimunuks naabergalaktikas
Andromeeda udukogus, siis oleks Maa-pealne vaatleja näinud
ootamatult taevasse ilmunud täiskuud. Meie kodugalaktikas
plahvatamise korral näinuksime taevasse ilmumas teist Päikest.
Õnneks toimub neid plahvatusi galaktika kohta mitte igal
aastal ega igal sajandil, vaid vahest kord mõnesaja miljoni
aasta kohta. Milline on selliste plahvatuste tekkemehhanism,
pole seni selge. Arutatud on isegi galaktikatevaheliste
sõdade varianti. Enne 23. jaanuari sündmust oli levinuimaks
seletuseks kahe ülitiheda tähe kokkupõrkel tekkiv plahvatus.
Enamus tähtedest asub kaksik- või mitmiksüsteemides, vananedes
võivad neist saada neutrontähed või mustad augud. Gravitatsioonilise
vastastikmõju tagajärjel aja jooksul tähed lähenevad üksteisele
ning lõpuks põrkuvad. Kuid 23. jaanuari sündmus oli sedavõrd
võimas, et neutrontähtede omaste massidega kehade kokkupõrkel
vabanevast energiast jääks väheseks. Vaja on otsida uusi
seletusi. Arutatakse võimalust, et nendel üliplahvatustel
energia ei kiirgu ühtlaselt igas suunas, vaid põhiliselt
kitsa kimbuna. Seega 23. jaanuari plahvatus võis meile tunduda
eriti võimas seetõttu, et kiirtekimp oli suunatud otse meie
poole. Mõne teise kauge galaktika astronoomid, kes sündmust
vaatlesid teisest küljest, võisid plahvatuse võimsuseks
saada 10-50 korda väiksema arvu kui Linnutee astronoomid,
nende hulgas ka meie siin — Maal.
Kahtlematult sai aga selgeks, et tegemist on erakordselt
võimsa ja ohtliku nähtusega. Meid kosmosest ähvardavate
katastrofaalsete sündmuste (asteroidi või komeedi pommitus,
lähedase supernoova plahvatus) ritta lisandus teadmine kodugalaktikas
toimuda võivast tugeva gammasähvatuse ohust. 23. jaanuari
sähvatuse võimsusega plahvatus võiks lõhkuda planeetide
atmosfäärid ja hävitada elu märgatavas osas Galaktika ruumalast.
Juba on jõutud avaldada arvamust, et on leitud põhjus, miks
raadioastronoomide pingutustele vaatamata pole suudetud
leida kosmosenaabreid. Tsivilisatsioonid on väga haruldased,
sest aeg-ajalt korduvad võimsad gammakiirguse sähvatused
hävitavad elu galaktikates.
tagasi esilehele ...
|
|
|