Universumi võimsaimad plahvatused – gammakiirte pursked
Selle üheks peamiseks ning põnevamaks uurimisobjektiks on ülisuurte energiatega toimuvad gammakiirte pursked. Neid täheldatakse kõigis galaktikates üle kogu Universumi ning nad võivad Maad tabades hävitada siinse elu, kirjutab ajakiri Tehnikamaailm (10/2013).
Juba aastatuhandeid on inimeste pilk öisesse taevasse sisendanud neisse arvamust sellest kui muutumatust igavese rahu ja vaikuse paigast. Kahjuks on see rahu petlik.
Nagu Pekingis Taevase Rahu väljakul puhkes ühel päeval julm sõda, nii on lähemal vaatlusel ka reaalne taevas (Universum) võrreldav pigem lahinguväljaga, kus pidevalt lõhkevad mitmesugused pommid ning vihisevad erineva kaliibriga kuulid – meteoroidid ja asteroidid.
Piisab, kui vaadata Kuu või Merkuuri kraatritest armistunud pinda. Pidevalt saadavad ümbritsevasse ruumi plasmapomme Päike ja teised tähed, rääkimata mitmesugustest kiirgustest.
Plahvatavad ka aatomid (footoni või elektroni väljalend) ja aatomituumad (radioaktiivsus). Ja lõppude lõpuks – kogu Universum ise on ju vaid üks suur plahvatus, mis algas Suure Pauguga 13,8 miljardit aastat tagasi ning paisub kogu aeg tohutu kiirusega ümbritsevasse ruumi.
Nüüd on avastatud, et selles Universumi täitvas erinevat tüüpi ja erineva suurusega plahvatuste ookeanis on kõige võimsamateks nn gammakiirte pursked GRBd (Gamma-Ray Bursts), mille kohta eestikeelses kirjanduses kasutatakse ka väljendit "gammasähvatused".
Mis need gammakiired on?
Väga üldiselt vastates võiks öelda, et need on elektromagnetilised lained, ainult et kõige lühema lainepikkusega ja vastavalt ka kõige suurema võnkesagedusega ning energiaga, sest elektromagnetlainete osakeste (footonite) energia on võrdeline sagedusega ning pöördvõrdeline lainepikkusega.
On hämmastav, kuivõrd suures ulatuses võivad need suurused looduses/Universumis varieeruda – enam kui triljon triljonit korda!
Kõige suurema lainepikkusega on raadiolained, neile järgnevad lainepikkuse vähenedes (samas võnkesageduse ning energia suurenedes) mikrolained, infrapunakiired, nähtav valgus, UV-kiired, seejärel röntgenikiired ning lõpuks siis gammakiired.
Muidugi on nende tekkemehhanismid ning toimed ümbritsevale keskkonnale väga erinevad, vaatamata nende ühisele elektromagnetilisele loomusele ning võrdsele levimiskiirusele.
Mõnevõrra on gammakiired sugulased ja toimelt sarnased röntgenikiirtega, mida laiem avalikkus tunneb paremini tänu nende kasutusele meditsiinilistel läbivaatustel.
Vahemärkusena olgu lisatud, et enamik maailmast ja inglisekeelne kirjandus tunneb röntgenikiiri siiski nime all X-kiired (X-ray). Selle nime andis neile avastaja W. C. Röntgen ise, kui nende omadused olid veel üsna tundmatud.
Sarnaselt röntgenikiirtega suudavad gammakiired lõhkuda aatomite ja molekulide elektronkatteid ning lüüa sealt välja elektrone, s.t nad mõlemad kuuluvad ioniseerivate kiirguste hulka, mistõttu on nad isegi väikestes doosides elusolenditele eriti ohtlikud.
Seda gammakiirte omadust kasutatakse ära meditsiinis vähirakkude kiiritamiseks, sest ioniseeriv kiirgus kahjustab eeskätt nende paljunemisvõimet, mis on just vähirakkude ohtlik omadus.
Tänu gammakiirte suuremale energiale on suurem ka nende läbitungimisvõime ainetest, eriti metallidest, mistõttu kasutatakse neid laialdaselt ka defektoskoopias.
Gammakiired avastas P. Villard raadiumi uurimisel juba üle-eelmisel sajandil, varsti pärast röntgenikiirte avastamist, mil hakkas tormiliselt arenema aatomifüüsika koos mitmesuguste senitundmatute kiirguste avastamisega.
Leiti, et raadiumi kiirgus jaguneb magnetväljas kolmeks osaks. Ja nagu teadlastel on tihti kombeks, kasutavad nad uutele nähtustele nime andmisel tihti kreeka tähti (peamiselt esimesi).
Nii andis E. Rutherford mõned aastad hiljem neile nimeks α-, β- ja γ-kiired, mis oma füüsikaliselt sisult, nagu hiljem selgus, on vastavalt heeliumituumad, elektronid ja elektromagnetlained. Kunagised nimed on säilinud aga tänaseni.
Sõjaväeluure astronoomiline avastus
Tohutuid purustusi ja kannatusi põhjustanud Teine maailmasõda küll lõppes1945. aasta augustis, kuid peagi algas kahe superriigi, USA ja N. Liidu, vahel ideoloogiline "külm sõda" ning relvastuse võidujooks, mille peajooneks sai tuumarelvade arendamine.
See aga sarnanes tuletikkudega mängimisele laste seas ning ähvardas saada saatuslikuks mõlemale osapoolele. Ei jäänudki muud üle kui juba 50 aastat tagasi tuli sõlmida tuumakatsetuste keelamise leping.
Kuid seejuures tekkis ka küsimus, kuidas kontrollida, et teine pool sõlmitud lepingut ikka täidab, eriti ei usaldanud Ameerika venelasi. Mõned kartsid isegi, et venelased võivat sooritada tuumakatsetusi näiteks Kuu taga.
Otsustati kontrollida tuumapommide plahvatusi nende ühe peamise tunnuse, gammakiirguse, järgi. Vanem põlvkond mäletab veel nõukogudeaegseid tsiviilkaitseõppusi, mille käigus taoti kõigile pähe, et tuumapommi plahvatusel on kolm faktorit – valgussähvatus, lööklaine ja ioniseeriv kiirgus (neutron-, röntgeni- ja gammakiirgus), mis kestab vaid sekundeid.
Neist kaugemale levib vaid gammakiirgus, mille tõttu otsustati paigutada kosmosesse satelliidid gammakiirguse mõõtjatega.
Salajase programmi Vela raames saadeti 10 aasta jooksul orbiidile paarikaupa 10 selleotstarbelist luuresatelliiti. Neil tuli koguda andmeid suurtelt aladelt ning registreeritavate andmete maht oli seetõttu ülisuur, ületades tolleaegse arvutustehnika reaalajas töötamise võime. Seetõttu salvestati andmed tuhandetele väljatrükilintidele ja neid analüüsiti suures osas käsitsi suure ajalise nihkega.
Nii juhtuski, et Vela 4 poolt 1967. aastal registreeritud andmeid töödeldi põhjalikumalt alles 1969. aastal. Selle käigus leidis R. Klebesadel, et 2. juulil 1967 registreeritud andmetes on midagi ootamatut ja enneolematut – nimelt gammakiirguse intensiivsuse järsk tõus mõne sekundi jooksul ja sellele järgnev aeglasem kustumine.
Spetsialistidele oli selge, et see impulss ei saanud pärineda tuumapommi plahvatusest ning sõjaväeluurele seetõttu see otsest huvi ei pakkunud, pigem võis see huvitada vaid astronoome, mistõttu avaldatigi sellekohased andmed astronoomia-alases ajakirjas alles 1973. aastal, kui oli avastatud juba 16 sarnast juhtumit.
Seepärast võime tänavu tähistada ka gammakiirte pursete ("sähvatuste") avastamise või teadasaamise 40. aastapäeva.
Suur jaht gammakiirte pursetele
Gammakiirte pursete uurimisele pühendusid paljud teadlaste kollektiivid ning sellel eesmärgil hakati välja töötama üha täiuslikumaid ning tõhusamaid uurimisseadmeid.
Vastuseid tuli leida mitmetele küsimustele ja mõistatustele, nende hulgas: kus pursked tekivad, miks nad tekivad ja kuidas nad tekivad.
Üsna esimestel uurimisetappidel sai selgeks, et neid tekib peaaegu ühtlaselt üle kogu taevasfääri, mis viitab sellele, et nad ei ole pärit ei Päikeselt ega isegi mitte meie oma galaktikast – Linnuteest.
Et kindlaks määrata gammakiirte pursete tekkekohta või allikat, tuli esiteks kindlaks määrata hästi täpselt nende tuleku suund ning ka allika (galaktika) kaugus.
Kahjuks just seda viimast, allika kaugust, pole võimalik kinnipüütud gammakiirte endi põhjal määrata. Seda on võimalik teha üksnes gammakiirtega koos, nende tekkekoha galaktikast väljunud nähtava valguse (nn järelhelenduse) omaduste põhjal, eeskätt nende spektrijoonte nihke järgi. Aga seda suudavad teha vaid nähtavas valguses töötavad teleskoobid.
Siinjuures tekivad probleemid seoses sellega, et ülikaugete galaktikate kiirgus, mis meieni jõuab, on väga nõrk ja nõuab seetõttu võimsaid ja suure ning massiivse peegliga teleskoope, mis aga pöörduvad aeglaselt ning nõuavad ümbersuunamiseks liiga palju aega.
Kogu süsteemi efektiivsus sõltub kiirusest ja sujuvast koostööst kosmoses töötavate gammateleskoopidega, mis määravad kindlaks järjekordse Maani jõudnud gammapurske suuna, ja maapealsete optiliste teleskoopide vahel, mis teevad kindlaks ka allika kauguse.
Maapealsete teleskoopidega on praktiliselt võimatu gammapursete jälgi fikseerida, sest pursked neelduvad atmosfääris ning Maani ei jõua.
Taevased abimehed
Gammapursete avastamisel oli suurte uurimisseadmete hulgas üks esimesi Compton, mis töötas orbiidil 1991–2000 ja avastas üle 2700 purske.
Esimesena suutis gammapursete tekkekohagalaktika kindlaks määrata Itaalia-Hollandi seade Beppo-SAX 1997. aastal.
Euroopa kosmoseagentuur ESA saatis koostöös NASA ja Venemaaga 2002. aastal orbiidile võimsa gamma-astronoomia labori INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory), mille nelja aparaadi (gammakiirguse taevaste allikate kuvaja IBIS, gammaspektromeeter SPI, röntgenkiirte monitor ja optiline kaamera) ulatusliku ja mitmekülgse 10aastase töö kokkuvõtted tehti teatavaks hiljutisel konverentsil ning on avaldatud rohkem kui tuhandes teaduspublikatsioonis.
Lisaks gammakiirte pursetele saadi uusi olulisi andmeid neutrontähtede, mustade aukude, supernoovade ning nendes toimuva nukleosünteesi kohta. Tänu missiooni edukusele otsustati INTEGRALi tööd pikendada veel 2014. aasta lõpuni.
Hästi vilgas, nagu ütleb tema nimigi, on 2004. aastal orbiidile viidud gammapursete automaatne uurija Swift (Tormipääsuke), mille tundlik valveteleskoop BAT jälgib pidevalt taevast laias ulatuses (1/6) ning on märganud ka gammapurset.
Seade suudab automaatselt suunata selle allikale ka pardal oleva röntgenteleskoobi ja optilises diapasoonis töötava teleskoobi.
Suured ootused gammapursete ja üldse gammaastronoomia vallas on teadlastel seotud ka uusima ja võimsaima kosmoseteleskoobiga Fermi (varasema nimega GLAST), mille tundlikkus gammakiirte suhtes ületab eelkäijaid ligi sada korda ning suudab registreerida palju suurema energiaga gammafootoneid.
Fermi skaneerib kogu taevalaotuse iga kolme tunni järel uuesti ja fikseerib sellel kõik gammakiirguse allikad – aktiivsete galaktikate tuumad, blazerid, pulsarid, kvasarid ja super- ning hüpernoovad.
Kuidas tekivad Universumi võimsaimad plahvatused – gammakiirte pursked?
Nende energiad küündivad hinnanguliselt isegi kujuteldamatu 1042 kWh-ni, kuigi nende kestus on vaid sekundi murdosast mõne minutini. Toimuvad need kaugetes galaktikates kord mitme miljoni aasta jooksul.
Enamasti koondub see tohutu energia üsna kitsasse kiirtekimpu, mis võib võtta kosmoses meelevaldse suuna ning alles siis, kui kiirtekimp-juga on juhuslikult suunatud Maa poole, saavad meie uurimisseadmed neid registreerida. Seda juhtub tavaliselt keskmiselt kord 1–2 ööpäeva jooksul.
Gammakiirte pursked jaotatakse nende kestuse järgi lühikesteks (alla 2 s) ja pikkadeks (üle 2 s).
Tänapäeval on teadlased veendunud, et nn pikad gammakiirguse pursked tekivad siis, kui suure massiga (10–20 Päikese massi) tähed on nende tuumas toimunud termotuumarektsioonide käigus oma "kütusevarud" ära kulutanud ning seepärast ammendanud vastupanu gravitatsioonjõududele.
Siis kollapseeruvad nad neutrontäheks või Mustaks auguks ning väliskest paiskub laiali supernoova näol.
Mõnevõrra ettevaatlikumad ollakse nn lühikeste gammakiirguse pursete seletamisel. Nende tõenäolisemaks põhjuseks peetakse kahe neutrontähe või koguni kahe Musta augu "kokkusulamist".
Sellised nähtused saavad sündida lähiskaksiktähtedes, kus kahe komponendi orbiidid tasapisi teineteisele lähenevad. See protsess nõuab veel edasist uurimist, nagu ka see, kas ka sel juhul väljub kiirgus kahe kitsa kimbuna või jaotub ruumis ühtlasemalt.
Kas gammakiirguse pursked ohustavad Maad?
Kõik seni registreeritud gammapursked on meieni jõudnud miljardite valgusaastate kauguselt ning seetõttu paratamatult nõrgenenud miljoneid või isegi miljardeid kordi. Aga kui kunagi selline plahvatus juhtuks meie oma galaktikas Linnutees ning kiirgusjuga oleks suunatud otse Maale, oleks elul siin lõpp.
Nii usubki Kansase ülikooli astrofüüsik Adrian Melott, et just selline sündmus leidis aset ordoviitsiumi ajastu lõpul ja põhjustas elusolendite massilise väljasuremise 443 miljonit aastat tagasi.
Aga kuhu jäi Maa atmosfääri kaitsekilp ioniseeriva kiirguse vastu? Melott seletab, et gammakiirte mõjul toimus atmosfääris pruuni toksilise lämmastikdioksiidi NO2 moodustumine, mis blokeeris päikesevalguse ning hävitas atmosfääris UV-kiirguse eest kaitsva osoonikihi.
Tema hüpoteesi kasuks räägib fakt, et tollal surid välja peamiselt need trilobiidid, mis elutsesid ookeani pinnale lähemal, kuid järele jäid sügavamal elunenud.
Igatahes mõtlemisainet gammapursked pakuvad...
