Pentru a fi înțeles, Universul este observat cu instrumente din ce în ce mai perfecționate. Încă de din cele mai vechi vremuri, astronomii au studiat radiația electromagnetică emisă de către corpurile cerești. La început observațiile se realizau în gama lungimilor de undă ale luminii vizibile cu ochiul liber. Între timp instrumentele noastre au început să observe Universul în zona lungimilor de undă îndepărtate de zona vizibilă. Astăzi vă voi povesti cum va fi studiat spațiul îndepărtat în domeniul radiațiilor gamma.
Spectrul electromagnetic
Pentru a vă putea povesti despre gamma, cred că este important să vă povestesc despre spectrul electromagnetic. Lumina pe care o vedem este de fapt doar o mică parte din cantitatea totală de lumină care ne înconjoară. Așa cum probabil știți lumina este formată în același timp din corpusculi (fotoni) și unde electromagnetice. Acestea din urmă sunt caracterizate de frecvență sau lungimea de undă. Cu cât energia radiației electromagnetice variază direct proporțional cu frecvența și invers proporțional cu lungimea de undă. Astfel putem constata că spectrul electromagnetic pleacă de la radiații cu frecvențe (și energii) joase cum sunt cele ale undelor radio sau ale microundelor, trece prin zona frecvențelor (și energiilor) medii, cum sunt cele ale radiațiilor infraroșii, vizibile și ultraviolet, pentru ca mai apoi să ajungă zona frecvenţelor (și energiilor) înalte cum sunt cele ale radiaţiilor X și Gamma. Pentru radiațiile gamma nu există o limită superioară bine definită. Mai pe scurt spus, radiațiile gamma au frecvențe mai mari de 30 exahertz (30 de miliarde de miliarde de hertz).
De ce sunt interesante radiațiile gamma pentru astronomie? Răspunsul, în rezumat, ar fi că ele sunt produse de către corpuri cerești caracterizate de densități mari de energie cum ar fi stelele neutronice, pulsarii, supernovele și de zonele din vecinătatea găurilor negre supermasive. Mai bine zis ele sunt produse în zonele extreme ale Universului. Ele se produc atunci când particule cuantice cu sarcină electrică sunt accelerate în câmpuri magnetice intense până la viteze apropiate de viteza luminii după care interacționează între ele sau cu fotonii care călătoresc prin spațiu.
Cum putem detecta radiațiile gamma care vin din depărtările spațiului cosmic? Chestia asta este dificilă, deoarece ele sunt absorbite de atmosfera terestră. Am putea instala în spațiu telescoape pentru radiațiile gamma, cum este telescopul Fermi al NASA. Din păcate acest gen de observatoare nu apucă să ”vadă” prea mulți fotoni gamma. Un detector de un metru pătrat abia dacă se va întâlni un foton gamma pe an, atunci când el este emis de către o sursă gamma strălucitoare. Atunci când sursa este mai slabă, detectorul despre care vă povesteam mai sus va apuca să vadă un foton gamma o dată pe secol…
Este evident, trebuie să găsim o soluție. Nu trebuie să o căutăm noi acum. Au găsit-o oamenii de știință cu multe decenii în urmă. Ideea nu este una complicată. Este clar că trebuie să mărim suprafața detectorului de radiații gamma. Cum am putea face asta? Ne vom folosi de straturile superioare ale atmosferei. Atunci cân radiația gamma interacționează cu atomii din atmosfera înaltă se produc jerbe de particule încărcate electric care se deplasează cu viteze mai mari decât viteza luminii în atmosferă. Acest fapt duce la producerea efectului Cerenkov, despre care vreau să vă povestesc în continuare.
Efectul Cerenkov
Bănuiesc că ați auzit (de) unda de șoc, bangul sonic, care s produce atunci când un avion zboară cu o viteză mai mare decât cea a sunetului. Ceva asemănător se produce atunci când o particulă cuantică încărcată se deplasează cu o viteză mai mare decât cea a luminii în mediul respectiv (în cazul nostru, atmosfera terestră). Desigur, în acest caz, vom avea o undă de șoc luminoasă, un scurt flash luminos, care durează circa trei nanosescunde, de culoare albastră sau violetă.
Acesta este efectul descoperit de rusul Pavel Alekseievici Cerenkov în 1934. Pentru descoperirea lui a fost recompensat cu Premiul Nobel pentru fizică în 1958.
Cum putem observa aceste flash-uri luminoase rezultate în urma interacției radiației gamma cu atmosfera? Evident, cu ajutorul ”telescopului Cerenkov”.
Telescopul Cerenkov
Nu avem de-a face, ca principiu, cu o chestie foarte modernă. În septembrie 1952, doi tineri cercetători de la Atomic Energy Research Establishment din Marea Britanie au ieșit într-o noapte fără Lună pe un câmp echipați cu un coș de gunoi standard în care au montat o oglindă parabolică de semnalizare folosită în Al Doilea Război Mondial. Ea avea doar 25 cm în diametru, iar în focar se găsea un fotomultiplicator cu diametrul de 5 cm. Acesta era legat la un amplificator, care, la rândul său, era conectat la un osciloscop. Cei doi tineri cercetători au îndreptat oglinda spre cerul nopții, au făcut reglajele necesare și au detectat pentru prima dată radiația Cerenkov produsă în atmosfera Pământului de către razele cosmice.
Voi detalia subiectul ceva mai încolo. Acum vreau să vă atrag atenția că nu este suficient un singur telescop cu care să fie observată radiația Cerenkov. Solitar este aproape inutil. Avem nevoie de o rețea care să fie răspândită pe întreaga suprafață a planetei. Vestea bună este că deja a început construcția ei! Este vorba despre…
Rețeaua de telescoape Cerenkov
Rețeaua de telescoape Cerenkov (Cherenkov Telescope Array Observatory – CTAO) va intra în funcțiune în 2026 și este rezultatul unei finanțări de 330 milioane de euro a Uniunii Europene.
Rețeaua de telescoape Cerenkov va fi alcătuită din mai mult de 70 de telescoape cu oglinzi, formate din segmente hexagonale, cu dimensiuni cuprinse între 4 și 23 de metri. Ea va fi capabilă de detecteze radiații gamma cu energii de până la 300 TeV, o valoare care este de 44 de ori mai mare decât energia particulelor accelerate de LHC al CERN. În plus, rețeaua va permite localizarea cu o precizie nemaiatinsă până acum a localizării surselor de radiații gamma.
Telescoapele rețelei vor fi amplasate în două locații, una în emisfera nordică, cea de a doua în emisfera sudică.
În emisfera nordică telescoapele Cerenkov vor fi amplasate pe insula La Palma din Insulele Canare (Spania), la 2.200 de metri altitudine. Rețeaua nordică va fi dedicată pentru observații ale radiațiilor gamma de joasă până la medie energie, adică din intervalul 20 GeV-5 TeV. Ea va fi alcătuită din patru telescoape Cerenkov cu oglinda principală cu un diametru de 23 de metri plus alte nouă, care vor avea oglinda principală cu diametrul de 12 m.
În emisfera sudică rețeaua de telescoape va fi amplasată la circa 10 km SE față de observatorul ESO (European Southern Observatory) din Paranal, deșertul Atacama, Chile. Zona este legendară pentru observațiile astronomice, datorită cerului perfect senin și al umidității extrem de scăzute.
În timp ce, așa cum vă spuneam mai devreme, componenta nordică a rețelei va fi dedicată observației radiației gamma cu energii cuprinse între 20 GeV și 5 TeV, componenta sudică va fi dedicată observării radiațiilor gamma cu energii medii până la înalte, mai exact, cu energii cuprinse între 150 GeV până la 300 TeV. Rețeaua sudică va fi formată din 14 telescoape cu oglinda principală cu diametrul de 12 m și 37 de telescoape cu oglinzi cu diametrul de 4,3 m.
Acum vă propun să închid paranteza pentru a mă întoarce la…
Telescopul Cerenkov
Ați remarcat că rețeaua despre care v-am povestit este alcătuită din trei categorii de telescoape.
În prima categorie avem telescoape care au oglinda principală cu un diametru de 4,3 m. Ele sunt codificate cu acronimul SST (Small-Sized Telescope, telescop cu dimensiuni mici). Oglinda principală este formată din 18 segmente hexagonale care reflectă lumina incidentă pe o oglindă secundară monobloc, care are un diametru de 1,8 m.
De la oglinda secundară lumina ajunge la o cameră compactă care este echipată fotomultiplicatoare cu siliciu (silicon photomultipliers, SiPM). Camera est atât de performantă încât poate înregistra flash-ul Cerenkov în filme de 128 de cadre, fiecare dintre ele având o durată de o miliardime de secundă!
SST este optimizat pentru a detecta radiațiile gamma cu energii cuprinse între 5 și 300 TeV. Aceste radiații gamma de foarte mare energie produc cantități mari de lumină Cerenkov, dar ele sunt mult mai rare decât cele de joasă energie. Pentru a maximiza probabilitatea de detectare a radiațiilor gamma de foarte mare energie, cele mai multe telescoape vor fi din categoria SST, care vor fi aplasate pe suprafețe de câțiva kilometri pătrați.
În a doua categorie intră telescoapele care au diametrul de 12 m. Ele au acronimul MST (Medium-Sized Telescope, telescop cu dimensiuni medii). Oglinda principală este formată din 86 de segmente hexagonale. Ea reflectă lumina incidentă către două tipuri de camere, una analogic-digitală, cealaltă strict digitală, care folosesc tuburi fotomultiplicatoare pentru detectarea luminii Cerenkov. Nu voi descrie funcționarea acestor camere, în schimb vreau să vă povestesc despre felul în care funcționează un un tub fotomultiplicator. La o primă, și neatentă, vedere avem de-a face cu ceva care nu ar mai trebui să existe în deceniul al doilea al secolului XXI. Tubul fotomultiplicator este chiar un tub electronic vidat, de genul ”lămpilor” folosite în secolul trecut în aparate de radio sau televizoare. El este compus dintr-un fotocatod, o serie de dinode și un anod. Fotonul care intră în fotomultiplicator va lovi fotocatodul, făcându-l să emită un electron. Electronul va fi accelerat, cu ajutorul unui câmp electric, și va lovi prima dinodă, făcând-o să emită doi sau mai mulți electroni, care, la rândul lor, vor fi accelerați către a doua dinodă. Procesul este repetat la fiecare dinodă astfel încât, în cele din urmă, la anod va ajunge un număr mare de electroni. Altfel spus, pentru fiecare foton separat care intră în tubul fotomultiplicator, va rezulta un semnal electric care poate fi analizat și interpretat cu ajutorul unor dispozitive electronice specializate, specifice fiecărui tip de cameră. În cazul camerei analogice, numită NectarCAM, avem o rată de eșantionare de peste un miliard de cadre pe secundă, în timp ce pentru camera digitală, numită FlashCam avem o rată de eșantionare de 250 milioane de cadre pe secundă.
MST este optimizat pentru a detecta lumina Cerenkov produsă de fotoni gamma cu energii cuprinse între 150 GeV și 5 TeV.
În a treia categorie intră telescoapele care au oglinda principală cu diametrul de 23 m. Ele au acronimul LST (Large-Sized Telescope, telescop cu dimensiuni mari). Oglinda principală este compusă din 198 de segmente hexagonale. Lumina care cade pe principală este trimisă către o cameră analogică ce are drept elemente sensibile la lumina Cerenkov, fotomultiplicatoare, ca și în cazul MST.
Această categorie de telescoape va putea identifica lumina Cerenkov produsă de către fotoni gamma cu energii cuprinse între 20 și 150 GeV.
Sper că nu v-am plictisit prea tare cu aceste descrieri tehnice. Vă rog să mă credeți, le-am simplificat la maximum…
Îmi dau seama că citind acest text a început să vă frământe o întrebare: La ce sunt bune chestiile astea complicate și, cu siguranță, extrem de scumpe?
Obiectivele științifice
Scopul principal al rețelei de telescoape Cerenkov va fi acela de a identifica locurile în care radiațiile cosmice (alcătuite din particule încărcate electric) sunt accelerate până șa viteze relativiste. Mai simplu spus, vor fi căutate acceleratoarele cosmice. Poate că vă întrebați de ce nu urmărim direct particulele care formează radiațiile cosmice. Avem deja observatoare pe orbită și pe suprafața terestră. Din păcate ele, fiind încărcate electric, nu se deplasează în linie dreaptă de la sursă până la noi, fiind deviate de câmpurile magnetice pe care le întâlnesc pe traiectoria lor. Acest lucru nu se întâmplă cu radiațiile gamma. Știm deja că rămășițele de supernove reprezintă asemenea acceleratoare cosmice. Există și alte zone în care particulele încărcate electric sunt accelerate până la energii de ordinul a câtorva petaelectronivolți?
Pe lângă identificarea acceleratoarelor cosmice din Univers de va căuta răspunsuri la problemele legate de rolul particulelor încărcate în evoluția sursei lor și cum se deplasează acestea la mari distanțe.
Rețeaua de telescoape Cerenkov va ajuta la explorarea frontierelor din fizica fundamentală. Ea va putea ajuta la studierea unor fenomene în care se produc ciocniri între particule care au energii mult mai mari decât cele accelerate la LHC-ul de CERN. Tot ea va putea identifica particulele de materie întunecată care se autoanihilează.
Timpii lungi de călătorie a razelor gamma care provin surse extragalactice împreună cu lungimea lor de undă foarte scurtă, le transformă în ”detectoare” foarte sensibile pentru a determina variația în funcție de energie a vitezei luminii, ipoteză care stă la baza teoriei gravitației cuantice, care încercă să unifice mecanica cuantică cu cea relativistă. Pe parcursul lor lung, razele gamma se pot cupla cu alte particule de lumină, cum ar fi particulele asemănătoare axionilor (particule elementare ipotetice care ar compune materia întunecată) sub influența câmpurilor magnetice intergalactice. Astfel de oscilații foton-axion ar fac ca Universul să fie mai transparent pentru razele gamma și ar introduce o modulație spectrală. Fiecare dintre aceste efecte ar reprezenta descoperiri extraordinare, care singure, fac să merite costurile și eforturile a construi și opera rețeaua de telescoape Cerenkov.
Încheiere
Desigur, descoperirile care vor fi realizate cu ajutorul rețelei de telescoape Cerenkov nu ne vor face viața mai ușoară. De fapt, și este bine să înțelegeți asta, orice descoperire în știința fundamentală poate avea o contribuție majoră în dezvoltarea acelor tehnologii a zilelor de mâine care ne vor ajuta să facem ca lumea care ne înconjoară să fie mult mai prietenoasă cu noi. Nu știu cum va contribui la asta observarea Universului în radiații gamma, dar sunt sigur că o va face, pentru că ne va duce departe, în profunzimile științei numită fizică.
