Dwie misje kosmiczne z polskim udziałem

Gamow Explorer to projekt misji kosmicznej, której celem będą obserwacje rozbłysków gamma (ang. gamma-ray bursts, GRBs). Są to krótkotrwałe błyski w najbardziej energetycznej części promieniowania, które pojawiają się w różnych miejscach na niebie. Po raz pierwszy zaobserwowano je w 1967 roku przy pomocy amerykańskiego satelity wojskowego Vela. Początkowo podejrzewano, że to efekty tajnych prób z bronią jądrową (satelita miał śledzić przestrzeganie traktatu o zakazie prowadzenia takich testów). Gdy wystrzelono kolejne satelity, z lepszą aparaturą, okazało się, że pochodzenie rozbłysków gamma jest z kosmosu (pracę na ten temat opublikowano w 1973 roku).

Obecnie astronomowie wyróżniają dwie główne kategorie rozbłysków gamma: długie i krótkie. Te pierwsze trwają od 2 do kilkuset sekund (czasami nawet dłużej), a krótkie - mniej niż 2 sekundy. Mechanizm ich powstawania może być różny, przy czym długie błyski gamma uważa się za efekt śmierci bardzo masywnych gwiazd. W zrozumieniu czym mogą być błyski gamma duży udział miał polski astronom prof. Bohdan Paczyński.

Rozbłyskom gamma towarzyszą poświaty w innych zakresach promieniowania elektromagnetycznego, na przykład w zakresie rentgenowskim czy widzialnym.

Gamow Explorer będzie obserwować bardzo dalekie rozbłyski gamma (które zachodzą na przesunięciach ku czerwieni większych niż z = 6) oraz będzie to robić w różnych zakresach długości fali. W pewnym sensie będzie następcą misji Swift, czyli pierwszego wielozakresowego obserwatorium do badania rozbłysków gamma, wystrzelonego przez NASA w 2004 roku.

Obserwatorium będzie monitorować niebo w oczekiwaniu na długi rozbłysk gamma. Po wykryciu takiego błysku przez teleskop rentgenowski, obserwujący szerokie pole nieba, obserwatorium ma szybko obrócić się w taki sposób, aby na to miejsce nakierować teleskop podczerwony, który zmierzy pozycję z dokładnością do sekund łuku. Obserwacje pozwolą wyznaczyć też tzw. redshift (przesunięcie ku czerwieni), który daje astronomom informację o odległości do rozbłysku. Czasowa sekwencja może wyglądać następująco: w ciągu 10 sekund ustalenie pozycji z dokładnością do minut łuku, do 60 sekund - nacelowanie teleskopu podczerwonego, do 1000 sekund - ustalenie pozycji z dokładnością do sekund łuku i uzyskanie pomiaru przesunięcia ku czerwieni na podstawie zdjęcia, do 6000 sekund (100 minut) od rozbłysku - uzyskanie pierwszych widm.

Kosmiczne obserwatorium prowadząć te badania ma współpracować z ogromnymi teleskopami przyszłości, takimi jak na przykład Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), albo naziemny Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT). Dzięki alertom od Gamow Explorer duże teleskopy naziemne będą w stanie w ciągu 30 minut podjąć obserwacje miejsca rozbłysku, aby uzyskać dokładne widma poświaty, a na zdarzenia o największych przesunięciach ku czerwieni może być w ciągu dwóch dni skierowany teleskop JWST, aby zidentyfikować galaktyki macierzyste, gdy poświata zaniknie.

Uważa się, że długie błyski gamma są związane z wybuchami supernowych, w których formują się czarne dziury. Są to najbardziej energetyczne wydarzenia we Wszechświecie. Gamow Explorer pozwoli sięgnąć obserwacyjnie do błysków z tzw. epoki wtórnej jonizacji z wczesnego Wszechświata. Można będzie spróbować na przykład użyć błysków gamma do detekcji hipotetycznych gwiazd trzeciej populacji (najstarsza populacja gwiazd we Wszechświecie, które mogły powstawać jeszcze zanim wytworzyły się galaktyki), gdy wybuchały one jako supernowe. Do tej pory bowiem nie wykryto obserwacyjnie żadnej gwiazdy trzeciej populacji. Astronomowie potrafią też na podstawie obserwacji błysków gamma analizować własności materii znajdującej się pomiędzy nami, a rozbłyskiem.

W misji Gamow Explorer weźmie udział także Polska, dzięki podpisaniu umowy pomiędzy Polską Agencją Kosmiczną, a NASA. Z inicjatywą tej współpracy wystąpił prof. Krzysztof Górski, pracujący w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie oraz w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego. W pracach wezmą udział naukowcy z sześciu polskich uczelni i instytutów naukowych.

Koordynatorami udziału naukowego naszego kraju będą prof. Włodzimierz Kluźniak i dr hab. Krzysztof Nalewajko z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie.

Drugą ze wskazanych misji NASA z polskim udziałem będzie Arcus. W tym przypadku celem są obserwacje Wszechświata w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Ziemska atmosfera nie przepuszcza tego zakresu promieniowania, tak więc konieczne jest umieszczenie teleskopu w kosmosie, jeśli chcemy obserwować Wszechświat w promieniowaniu rentgenowskim, zwanym też promieniowaniem X. Obserwatorium Arcus ma zostać umieszczone na wysokiej orbicie okołoziemskiej.

Misja Arcus będzie bazować m.in. na technologiach opracowanych dla projektu Athena, szykowanego przez Europejską Agencją Kosmiczną (Polska bierze udział również w misji Athena). Jego główną cechą będzie zastosowanie siatek dyfrakcyjnych pozwalających uzyskiwać widma w zakresie rentgenowskim o rozdzielczościach wielokrotnie lepszych niż dotychczasowe.

Arcus będzie badać gorący gaz zgromadzony w galaktykach, gromadach galaktyk oraz w bliskim otoczeniu czarnych dziur. Obserwacje te pomogą astronomom lepiej poznać kwestie związane z przemieszczaniem się materii w galaktykach i gromadach galaktyk (wpływaniem i wypływaniem z nich), mechanizmami zasilania wiatrów generowanych przez supermasywne czarne dziury, a wpływających na cale galaktyki, czy lepszym poznaniem formowania się i ewolucji gwiazd oraz dysków protoplanetarnych.

Polski udział od strony naukowej koordynuje tutaj prof. dr hab. Agata Różańska z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie.

Współpraca w obu misjach ma obejmować też opracowanie i dostarczenie elementów instrumentów naukowych przez Centrum Badań Kosmicznych, we współpracy z firmami z sektora kosmicznego z naszego kraju.

"Udało nam się zintegrować polski sektor kosmiczny i wspólnie przygotować ofertę dla NASA, która została przyjęta. Przed nami mnóstwo pracy, ale wyniki badań każdej z tych misji mogą przynieść przełomowe odkrycia dalekiego kosmosu" - stwierdził prezes Polskiej Agencji Kosmicznej Grzegorz Wrochna cytowany w informacji przekazanej w piątek mediom.

Krzysztof Czart