Detectoarele de raze X, frontiera cunoaşterii spaţiale

Razele X emise de stelele din Univers pot fi măsurate de pe Pământ şi oferă informaţii preţioase despre zone ale Cosmosului care până acum erau inaccesibile omului Astronomia bazată

Razele X emise de stelele din Univers pot fi măsurate de pe Pământ şi oferă informaţii preţioase despre zone ale Cosmosului care până acum erau inaccesibile omului

Astronomia bazată pe măsurarea razelor X venite din spaţiu este un domeniu relativ recent.

Primul savant care a observat că stelele alcătuite din gaze extrem de fierbinţi emit radiaţii X a fost Riccardo Giacconi, care a măsurat, în 1962, emisiile de raze X ale stelei Scorpius X-1, aflată în constelaţia Scorpionului, situată undeva înspre centrul galaxiei Calea Lactee faţă de noi. El a primit pentru această descoperire şi pentru studiile care i-au urmat Premiul Nobel pentru Fizică, în anul 2002.

Atmosfera terestră absoarbe razele X şi, prin urmare, emisiile venite din spaţiu nu au putut fi descoperite decât abia după ce oamenii au dezvoltat tehnologiile spaţiale.

Chiar şi astăzi, la peste 50 de ani de la primele încercări, există numai două metode de măsurare a razelor X venite dinspre stele: fie prin ridicarea aparaturii dincolo de atmosferă, cu ajutorul unor baloane uriaşe, fie prin plasarea ei pe un satelit.

Raze Röntgen sau raze X?

Razele X sunt o formă de radiaţie electromagnetică care are lungimi de undă foarte mici, de ordinul nanometrilor (mai precis: între 10 şi 0,01 nanometri). Când spunem "nanometru" trebuie să ne gândim la ceva infim, întrucât această unitate de măsură este un metru împărţit într-un miliard de părţi egale!

Prin urmare, detectarea unor raze care au o lungime de undă atât de mică nu putea fi făcută decât după ce oamenii au reuşit să creeze aparate extrem de precise pentru măsurarea lor.

Primul savant care a descoperit că există unde electromagnetice cu o lungime de undă atât de mică a fost Wilhelm Conrad Röntgen, cel care a reuşit să producă astfel de raze în anul 1895 şi, pentru această descoperire, a primit Premiul Nobel pentru Fizică în anul 1901. În onoarea inventatorului, razele X se mai numesc şi raze Röntgen.

Razele X au putere de ionizare

Primele utilizări practice ale razelor X au fost radiografiile, prin care se fac un soi de fotografii ale oaselor, şi testele de verificare a pietrelor preţioase.

La început, oamenii au folosit aparatele cu raze X cu mult entuziasm, fără măsuri de protecţie, dar după o vreme s-a observat că ele au un efect letal asupra celor ce sunt expuşi acţiunii lor un timp mai îndelungat. S-au făcut noi cercetări şi aşa s-a aflat că undele electromagnetice cu lungimi de undă foarte mici au capacitatea de a ioniza atomii sau moleculele pe lângă care trec.

Ceea ce contează este energia înaltă a acestor unde, care are puterea de a învinge forţele grele din interiorul atomilor (dintre electroni şi nucleu). Interacţiunile la nivel atomic au un efect letal asupra celulelor vii, în primul rând pentru că modifică ADN-ul acestora.

Or, dacă o celulă are o şansă mică de supravieţuire şi după ce i s-a alterat ADN-ul, pentru că poate deveni o altfel de celulă viabilă, un organism complex moare întotdeauna, din cauza numărului mare de celule care nu-şi mai îndeplinesc rolul pe care îl aveau în sistem.

În afară de radiaţiile X şi alte unde electomagnetice produc ionizări: undele cu particule beta, cu particule alfa, neutronii şi chiar fotonii foarte energizaţi. Razele ultraviolete sunt ultimele pe această listă, cu precizarea că, în timp ce razele X ionizează orice atom întâlnit în cale, razele ultraviolete ionizează doar moleculele mari, "predispuse" să-şi piardă uşor electronii de pe ultimele straturi.

Stelele şi găurile negre

Dar să revenim la cercetările spaţiale. Astronomia cu ajutorul razelor X se bazează pe observaţia că stelele, care sunt alcătuite din gaze aflate la temperaturi de milioane de grade Kelvin, emit astfel de unde electromagnetice.

Ca să fim mai precişi, stelele emit în primul rând astfel de raze! Riccardo Giacconi, făcând o comparaţie între undele vizibile (luminoase) ale stelei Scorpius X-1 şi emisiile ei de raze X, a constatat că acestea din urmă sunt de peste 10.000 de ori mai mari decât primele. Astăzi se ştie că acest fenomen este valabil pentru orice stea.

Soarele nostru, de pildă, emite tot felul de unde electromagnetice, dar energia razelor X pe care le trimite în spaţiu este de 100.000 de ori mai mare decât energia cumulată a tuturor celorlalte tipuri de unde electromagnetice (inclusiv cele din spectrul vizibil, pe care noi le numim raze de lumină)!

Fiind atât de "puternice", razele X scapă inclusiv din găurile negre, fiind practic singurele informaţii ce ajung până la noi dinspre aceşti monştri cu gravitaţie colosală. Măsurătorile făcute cu detectoarele de raze X au arătat că, pe lângă universul vizibil, există încă de cel puţin zece ori mai multă materie pe care noi nu putem să o "vedem" cu ajutorul telescoapelor.

"Telescoape" care măsoară razele X

Atmosfera terestră este un filtru perfect pentru razele X şi fără această protecţie viaţa pe Pământ nici n-ar fi putut să existe. Conform măsurătorilor, 90% din energia razelor X venite din Cosmos se pierde în primii 10 centimetri de atmosferă, din cauza prezenţei ozonului.

Iar în următorii doi-trei metri se pierde şi restul! Ca atare, pentru a putea măsura caracteristicile razelor X venite din spaţiu, cercetătorii trebuie să-şi plaseze detectoarele în afara atmosferei. Nu întâmplător, după ce s-a constatat că găurile negre emit raze X, un întreg program spaţial a fost modificat şi acum se fac investiţii serioase pentru trimiterea în spaţiu a unor aşa-zise telescoape cu raze X.

Astfel, după cum anunţam în urmă cu două săptămâni, NASA a reluat misiunea NuSTAR, deşi fusese închisă în 2006, din lipsă de fonduri.

Misiunea prevede lansarea satelitului cu acelaşi nume (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), pentru a studia găurile negre măsurând razele X de înaltă energie ce vin dinspre ele. Lansarea propriu-zisă este programată pentru anul 2011, iar echipamentul ce va fi plasat pe acest satelit va fi capabil să detecteze orice fel de găuri negre, de la cele mai mici, care sunt doar de câteva ori mai masive decât Soarele nostru, până la cele gigantice, care ar putea "cântări" de milioane de ori mai mult decât el.

Astronomii se aşteaptă ca noul "telescop" să obţină date mult mai precise decât Chandra, care şi el măsoară razele X, dar numai pe cele de joasă energie, emise de stele, dar nu şi de găurile negre.

Trei mijloace: baloane, rachete sau sateliţi

Pentru a menţine detectoarele de raze X în spaţiu se pot folosi trei tipuri de mijloace. Cel mai ieftin este balonul, acest dispozitiv simplu putând urca aparatura până la 40 de kilometri altitudine. La această înălţime, detectoarele au depăşit deja 99,997% din atmosfera terestră şi se consideră, practic, că se află în afara ei. Avantajul este că determinările şi colectările de date pot dura mai mult decât dacă se foloseşte o rachetă specială, care cade înapoi spre Pământ după câteva minute de activitate.

Totuşi, din cauza procentului de 0,003% de gaze atmosferice prezente încă la înălţimea de 40 de kilometri, o mare parte dintre razele X sunt deja "stoarse" de energie şi măsurătorile făcute cu balonul sunt de multe ori neconcludente. Cercetătorii consideră că plasarea aparatelor pe un satelit este, deocamdată, cea mai bună metodă pe care o avem şi, exact din acest motiv, a fost reluat proiectul NuSTAR.

Balonul e încă folosit

Pentru că este şi cel mai ieftin, balonul este încă utilizat de mulţi astronomi. Astfel, chiar în urmă cu două-trei săptămâni, un nou tip de balon cu heliu, de înaltă altitudine, destinat să transporte aparate de măsură a razelor ultraviolete, a fost testat cu succes.

Cea mai mare parte a balonului, care este mare cât un jumbo-jet, a fost lăsată goală, deoarece altfel s-ar sparge când ar ajunge în atmosfera rarefiată de la altitudini mari. Deşi lansarea noului telescop este prevăzută pentru anul 2009, balonul care îl va transporta a fost realizat şi testat cu succes încă de pe acum, întrucât cercetătorii au nevoie de date precise înainte de a regla detectoarele ce vor fi lansate în spaţiu.

Michael Knölker, directorul Observatorului de mare altitudine al Centrului American pentru Cercetări Atmosferice, este unul dintre cei mai apropiaţi colaboratori ai astronomilor. "Noi trebuie să furnizăm date legate despre starea şi densitatea atmosferei începând cu altitudinea de 37 de kilometri şi până la 41 de kilometri. În acest interval se pot face măsurători astronomice cât de cât corecte, deşi cele mai bune se vor obţine abia după ce vom construi baza lunară", spune Knölker.

Fundul oceanului, cel mai vechi "telescop"

Deşi termenul de telescop este impropriu, fundul oceanului înmagazinează o mulţime de informaţii despre activitatea stelelor din Univers şi, prin urmare, ar putea fi considerat drept cel mai vechi telescop al omenirii. Unele dintre particulele de mare energie care au căzut în oceane în decurs de milioane de ani sunt încă detectabile şi pot oferi informaţii preţioase despre stelele care le-au azvârlit în spaţiu.

De pildă, chiar în urmă cu câteva zile, savanţii au anunţat că măsurând nivelul de radioactivitate al izotopului Fe60, s-au obţinut informaţii preţioase despre explozia unei supernove din timpul erei geologice Pliocen.

Brian Fields, de la Universitatea din Illinois, spune că supernova se afla undeva la vreo 300 de ani lumină distanţă de Terra (poate mai puţin), iar radiaţiile masive au trecut atunci prin atmosfera terestră, ucigând cele mai multe forme de viaţă. Undele electromagnetice de tipul razelor X sau particulele de înaltă energie cum sunt izotopii radioactivi sunt în prezent "ochii şi urechile" astronomilor de azi, care încearcă să descopere secretele Universului.