Új gamma-távcső: a COSI

A NASA megvalósításra most kiválasztott gamma-távcsöve pozitronforrások és szupernóvák vizsgálatával vihet közelebb a csillagfejlődés megértéséhez.

A NASA októberben jelentette be, hogy a Small Explorer (SMEX) programja keretében megépítendő következő űreszköze egy gamma-távcső, a COSI (Compton Spectrometer and Imager) lesz. A küldetés tervezett költségvetése pályára állítással együtt körülbelül 145 millió dollár. A várhatóan 2025-ben induló COSI a csillagok születését és halálát, valamint a kémiai elemek tejútrendszerbeli keletkezését fogja vizsgálni. Ehhez a 0,2–5 MeV energiatartományban figyeli a galaktikus gamma-forrásokat.

A COSI az 1987A szupernóva maradványa előtt. (Fantáziarajz: University of California Berkeley / COSI)

A COSI lesz az első olyan gamma-távcső, amelyet kifejezetten úgy terveznek, hogy alkalmas legyen a pozitronok annihilációja során keletkező gamma-sugárzás megfigyelésére. (A pozitron az elektron antirészecskéje. Közönséges elektronnal találkozva a két részecske szétsugárzódik, azaz annihilálódnak, vagyis teljes tömegük az einsteini E = 2mc² összefüggésnek megfelelően energiává alakul. Az elektron és a pozitron – egymással azonos – tömegéből kiszámítható, hogy az annihilációkor két, egyenként 0,511 MeV = 511 keV energiájú gamma-foton keletkezik, ami a COSI megfigyelési tartományába esik.) Ezen túlmenően a COSI a gamma-sugárzás forrásának pontos behatárolására is alkalmas lesz. Pozitronok annihilációjának betudható gamma-sugárzást a csillagászok már az 1970-es évek óta észleltek, azok forrásáról azonban csak annyit tudtak megállapítani, hogy valahol a Tejútrendszer centruma környékén lehet. A COSI segítségével megfigyelhetik a szupernóva-robbanások során a nehéz elemek keletkezését és lebomlását. Emellett megfigyelhetik a különféle egzotikus forrásokból (szupernóvákból, blazárokból és neutroncsillagok gravitációs hullámokat keltő egyesüléséből) érkező gamma-sugárzást.

A COSI műszereit 2016-ban magasba emelő ballon indítás előtt. (Kép: University of California Berkeley / COSI)

Mivel a Föld légköre elnyeli a gamma-sugárzást, ezért a gamma-csillagászati megfigyelések csak űreszközökre vagy magaslégköri ballonokra helyezett detektorokkal végezhetők. A COSI majdani műszereinek kipróbálásához a berkeley-i Kaliforniai Egyetem csapata megépítette az eszközök ballonra szerelhető változatát, amelyet a NASA szuperballonjára (Superpressure Balloon) erősítve 2016 májusában Új-Zélandról emeltek a magasba. A ballon közel 47 napig lebegett, ami rekordot jelentett a közepes magasságú, nagy tudományos célú ballonok kategóriájában.

A ballonos repülés után az Antarktiszon földet ért COSI műszeregyüttes. (Kép: University of California Berkeley / COSI / Scott Battion)

A COSI tulajdonképpen egy Compton-távcső, amely a Compton-szórásnak nevezett jelenség alapján végzi a megfigyeléseket. A jelenséget Arthur Compton amerikai fizikusról nevezték el, aki nemcsak rájött, hanem kísérleteivel be is bizonyította, hogy a nagy energiájú elektromágneses sugárzás, például a gamma-sugárzás töltött elemi részecskével, például elektronnal találkozva energiájának egy részét átadja a részecskének. (Compton a felfedezéséért 1927-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat.) A detektorban a gamma-sugárzás szóródási mintáját követve a kutatók kikövetkeztethetik, honnan érkezett a sugárzás.

A COSI pozíciómeghatározási pontosságát bemutató szimuláció. A 0,662 MeV energiájú gamma-fotonok mindegyike a Compton-körnek nevezett szóródási képet hozza létre a detektorban. Az egyes körök ugyan különböző méretűek, de sok gamma-esemény észlelésének összegezése nyomán kirajzolódik a forrás pontos helye. (Animáció: University of California Berkeley / COSI)

Korábban a Compton-szórás megfigyelését végezte a NASA nagy obszervatóriumainak egyike, a Compton-obszervatórium (Compton Gamma-Ray observatory, CGRO), amely 1991–2000 között keringett a Föld körül, és a 0,02 MeV és 30 GeV energiatartományban észlelt. A CGRO egyik műszere, a COMPTEL hasonló volt a COSI-hoz, de utóbbinak négyszer nagyobb lesz a látómezeje, továbbá kétszer jobb a térbeli, és 20-szor jobb a spektrális felbontása.

Steven Boggs (Berkeley-i Kaliforniai Egyetem), a COSI vezető kutatója a 2016-os ballonos kísérlet előtt ismerteti a kísérlet célját. (Forrás: NASA Wallops, YouTube)

Jelenleg a NASA két gamma-távcsöve is kering a Föld körül, a Swift (Neil Gehrels Swift Observatory, korábbi nevén Swift Gamma-Ray Burst Mission) és a Fermi-űrtávcső (Fermi Gamma-ray Space Telescope).

A mostani válogatási procedúra során a SMEX program keretében a COSI három versenytársával szemben diadalmaskodott. Korábban már elvérzett a Large Area burst Polarimeter (LEAP) és a Gravitational-wave Ultraviolet Imager, amelyek mindegyikét a Nemzetközi Űrállomásra szerelték volna fel. A válogatás utolsó fordulójában az Extreme-ultraviolet Stellar Characterization for Atmospheric Physics and Evolution (ESCAPE) küldetés maradt alul a COSI-val szemben.

A SMEX program keretében legújabban a röntgen-polarimetriai megfigyelésekre tervezett IXPE (Imaging X-Ray Polarimetry Explorer) műhold készült el, amelyet a tervek szerint december 9-én Cape Canaveralról Falcon-9 rakétával indítanak. A SMEX korábbi űreszközei közé tartozik többek közt a helioszférát feltérképező Interstellar Boundary Explorer (IBEX) és a röntgencsillagászati megfigyeléseket végző Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR).

Kapcsolódó cikkek:
Gamma-tartományban ragyogó Hold
Ütköző neutroncsillagok formálta kis tömegű fekete lyuk
Az Integral 15 éve

Kapcsolódó linkek:
COSI: a NASA jövendő gamma-csillagászati műholdja (Sky & Telescope)
NASA Superpressure Balloon
NASA SMEX program
Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE)