Spitzer: Az üveghegyen innen, az optikai tartományon túl...

2020. február 10. - PFreddy

A Spitzer január 30-án elküldte az utolsó mérési adatcsomagot is, majd az operátorok lekapcsolták a rendszereit - ezzel pedig több, mint tizenhat év után búcsút kellett intenünk az űrtávcsőnek, amelynek a modern csillagászatra gyakorolt hatását talán csak a Hubble übereli. Méréseit a hosszabb hullámhosszakat lefedő infravörös tartományban végezte, amellyel nem csak az emberi szem számára láthatatlan részleteket örökítette meg, hanem betekintést nyújtott akár sötét porfelhők mélyére is. Exobolygók születésétől és felfedezésétől kezdve a távoli galaxisokig a csillagászat minden területét formálták a Spitzer eredményei, miközben mesés felvételei rendre ámulatba ejtették a közvéleményt.

ujeswyyqq48ugwzcbfkvym.jpg

Egy infravörös tartományban működő űrteleszkóp első terve 1971-ben született meg, akkor még SIRTF (Shuttle Infrared Telescope Facility) néven, amikor a NASA terveket kért be a formálódó űrsikló-programja által az űrbe juttatható (és ott stabil pályára állítható) hasznos terheket illetően. A NASA finanszírozása és a többszörös újratervezések eredményeként az akkor már Spitzer néven futó projekt végül a Great Observatories programban valósult meg. A program célja, hogy a csillagászati célpontokat négy különböző hullámhossztartományon működő űrobszervatórium segítségével is vizsgálhassák a kutatók, amelyeket távcsőidő-pályázatok útján bárki igénybe vehet. A Great Observatories űrobszervatóriumainak sorát a Spitzer zárta 2003. augusztus 25-i felbocsájtásával, előtte az elsősorban a látható fény tartományában mérő Hubble űrtávcső (1990), a gamma-fotonokra vadászó CGRO (1991) és a röntgen tartományon működő Chandra (1999) állt csatasorba.

greatobs_spectrum.jpgA NASA Great Observatories programjának négy űrtávcsöve, a háttérben a Rák-köd nevű szupernóvamaradványról készített felvételeik. (Kép: NASA/CXC/M. Weiss) 

 

Egy kis gyorstalpaló az elektromágneses spektrumról: a fényt, pontosabban az elektromágneses hullámot elsősorban a frekvenciája/hullámhossza (ezek egymásba átváltható mennyiségek) jellemzi, akárcsak a hanghullámok esetében. Az emberi szem csak egy igen keskeny szeletkéjét érzékeli a teljes elektromágneses hullámhossztartománynak, avagy spektrumnak. Ez a látható fény az optikai tartomány, nagyjából 350 nm-től (a nanométer a méter milliárdod része) 750 nm-ig terjed, és szépen egybeesik a Nap sugárzási eloszlásának csúcsával ­­– ezért is specializálódott az emberi látás ezekre a hullámhosszakra. Ezen a közel 400 nm-es tartományon találhatóak az alapszínek (kék a rövidebb, piros a hosszabb hullámhosszakon, sárga középen), azonban még a mindennapi életünkben is jelentős szerepet kapnak az ezen tartományon kívüli, „láthatatlan” hullámhosszak.

Ha a rövidebb hullámhosszak (és ezzel együtt a magasabb energiák) irányába indulunk el az elektromágneses spektrumon, akkor előbb az ultraibolya (UV, pl. a bőrünkre káros sugarak tartománya), majd a röntgensugárzás (X-ray, amelyeket az orvosi képalkotó eszköz is használ) következik; végül a legenergikusabb végletet a gamma-fotonok képviselik (amelyek elsősorban a csillagokban lezajló fúzió során keletkeznek). A spektrum másik felén az ún. infravörös tartomány következik a látható fény után; ennek „közeli” részét érezzük kellemesen melengető sugárzásnak, a „távoli” vége pedig egybeolvad az ételek melegítésére használt mikrohullámú sugárzással. Ezen túl is van élet: a rádiósugárzás, amellyel a telekommunikáció java zajlik.

em_spektrum.jpgAz elektromágneses spektrum tartományainak jellemzése. (Forrás: Némethné Zsuzsanna)

 

A Spitzer tehát az infravörös tartományon, egészen pontosan hét hullámhossz-csatornán tudta mérni a látómezőben lévő forrásokból érkező elektromágneses sugárzás erősségét. A távoli infravörösben található 24 és 160 mikrométer közötti mérések extrém hűtést igényeltek, mivel ezen a tartományon már az elektronok minimális mozgása is befolyásolja a detektor működését. Ebből a célból a napfény leárnyékolásával elérhető 40 K-es (-233 °C) hőmérsékletet még lejjebb srófolták némi folyékony héliummal, stabilan 4 K-en (-269 °C) tartva a detektort. A hűtőfolyadék 2009-es kifogyását követően a Spitzer küldetését meghosszabbították, az ún. meleg fázis során azonban már csak a két rövidebb, 3,6 illetve 4,5 mikrométeren működő csatorna volt használható fényességmérésre, és búcsút kellett inteni a 100 mikrométerig működő spektroszkópiának is.

unnamed.jpgA Spitzer IRAC és MIPS képalkotó eszközei által használt csatornák (függőleges oszlopokkal jelölve), valamint az IRS és MIPS spektrográfok érzékelési tartományának hullámhosszai (vízszintes sávokkal jelölve) mikrométerben (mikronban). Balra az optikai tartomány, valamint a közeli infravörösben használt JKH színszűrők hullámhosszai találhatóak.

 

Az űrtávcső azonban ennek ellenére az első számú infravörös detektor maradt, elsősorban a földi óriástávcsövekre is köröket verő érzékenységével. Na meg a fantasztikus felvételei révén, amelyekkel sokan találkozhattak az évek folyamán. Fontos megérteni, hogy mivel ezek a képek kivétel nélkül az infravörösben készültek (esetleg más teleszkópok látható fény tartományában végzett méréseivel ötvözték), így az eredmény szükségszerűen hamisszínes – a „valóságban” tehát nem ilyennek látnánk a(z amúgy is színpompás) csillagközi felhőket.

ateo-1_m_45.pngA Plejádok, avagy Fiastyúk csillaghalmaz, ahogy mi is láthatjuk (balra), valamint ugyanez a régió a Spitzer felvételén (jobba). Utóbbi kép a 4,5 (kékkel), 8,0 (zölddel) és 24,0 (pirossal) mikrométeres csatorrnákon készült felvételek kompozitja. (Képek: Insight Observatory, illetve NASA/JPL-Caltech/J. Stauffer (SSC-Caltech))

 

Persze a látvány csak a cseresznye a tejszínhab tetején (bár tény, mindegyik tudományos értekezés elbírna egy színpompás infravörös felvételt). A Spitzer űrobszervatóriumként működött, vagyis nem egyetlen forrástípus tanulmányozására vagy égboltfelmérésre alkalmazták, hanem a távcsőidejének jelentős részét számos különböző tudományos projekt vehette igénybe pályázat útján. Ennek megfelelően lehetetlen egyetlen igazán nagy felfedezést kiemelni az űrteleszkóp tizenhat éves pályafutásából, ha pedig az összes fontosabbról értekeznénk, ez a cikk bizony kényelmetlenül hosszúra nyúlna. Így pusztán dióhéjban, a teljesség igénye nélkül:

 

  • A Tejútrendszer síkjában elsősorban a sötét porsávok akadályozzák meg, hogy Galaxisunk egészét belássuk (na meg a távolság...). Ezek a felhők az optikai tartományon szinte teljesen átlátszatlanok (így feketének látjuk ezeket) – infrában azonban ez a hatás jóval gyengébb, a porszemcsék tipikus méretéből fakadó szórási hatáskeresztmetszet miatt. Vagyis a megfelelő hullámhosszakon akár a teljes Galaxison keresztülláthatunk (csak hát a távolság, ugye...), tanulmányozhatóvá téve akár a rendkívül sűrű központi régiót is.

spitzer-20070501-browse.jpgMi bújik meg a sötétben? A BHR 71-hez hasonló sötét felhők egyáltalán nem üresek, éppenhogy a sűrű por az, ami megakadályozza a betekintést. A Spitzer felvétele (jobbra) azonban több száz csillagot és egy fiatal protocsilalgból származó kiáramlást, ún. jet-et is felfed. (Kép: NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA)

 

  • Por. Mindent, ami poros és az űrben van, előbb-utóbb megtalált a Spitzer figyelő tekintete. Szupernóvák közelében keletkezett friss poranyag vagy bolygókeletkezés első lépéseként összetapadó szemcsék, egyre megy, a termikus sugárzása az infravörös tartományba esik.

unnamed2.jpgA por szinte mindenütt megtalálható a Tejútrendszer kísérőgalaxisában, a Nagy Magellán-felhőben is. A piros szín a fiatal csillagok által felhevített port, míg a zöld a hűvösebb régiókban keletkező nagyobb szemcséket jellemzi. (Kép: NASA/JPL-Caltech/M. Meixner (STScI) & the SAGE Legacy Team)

 

  • A csillagkeltő régiók, így pl. a sokak által ismert Orion-köd is tele van sötét porsávokkal, amelyekbe betekintést nyújtanak a Spitzer felvételei. Ezek mélyén a protocsillagok összehúzódó és egyre sűrűsödő gázfelhőkből keletkeznek, amelyek csillagászati értelemben hűvösek, mindössze pár száz fokos hőmérséklettel. A hűvösebb objektumok által kibocsájtott elektromágneses sugárzás csúcsa pedig az infrában található. A Spitzerrel végzett felmérések során több száz, különböző stádiumban lévő protocsillagot vizsgáltak, amelyek révén ma már jól ismerjük korai fejlődésüket.

800px-pia23126-cepheusc_bregions-spitzerst-20190530.jpgPortré a (csillag)iskolában: a Cepheus B és C régiók környéke felvonultatja a fiatal csillagok fejlődésének számos stádiumát. (Kép: NASA/JPL-Caltech)

 

  • Hasonlóan igaz ez a fiatal, még formálódó bolygórendszerekre, amelyek az éppen csak működésbe lépő csillag körül keringve gyűjtenek anyagot. A protoplanetáris korongok belül (a forró csillaguk társaságában) a közeli, a hűvös külső régiókban pedig a távoli infravörösben fényesek. Az itt kialakuló, később a bolygók építőanyagául szolgáló molekulák (pl. víz és különféle szilikátok) jellemző spektrumvonalai pedig a Spitzer hullámhossztartományain érhetőek tetten.

ssc2004-08b_ti.jpgJég- és por szemcsék kéződésének spektrális lenyomata a közép- és távoli infravörösben. A háttérkép ugyan fantáziarajz, az adatok és a protoplenatáris korongok jobb oldali képei azonban valódiak. (Forrás: Credit: NASA/JPL-Caltech/D. Watson (University of Rochester) )

 

  • Apropó exobolygók! Emlékeztek még a két évvel ezelőtti szenzációra, a TRAPPIST-1 vörös törpecsillag rendszerében keringő hét(!) kőzetbolygóra? A földfelszíni megfigyelések alapján csak valószínűsíthető volt a létezésük, felfedezésük a Spitzer-rel történt.

 

  • A Spitzer nem csak a Tejútrendszer objektumait, de abból kitekintve más csillagvárosokat is vizsgált. A közeliek esetében a jól becsülhető a galaxis porállománya, a csillagkeletkezési ráta vagy éppen a spirálkarok dinamikája.

m81.jpgA látható fény tartományában (balra) az M81 galaxis centruma a domináns, ahol a fiatal csillagok nagy mennyiségben fordulnak elő. Az infravörösben vizsgálva elsősorban a csillagközi port összegyűjrő spirálkarok tűnnek ki. (Kép: NASA / ESA / Hubble Heritage Team (STSCI / AURA) illetve NASA/ JPL-Caltech)

 

  • Minél távolabbi (és ezáltal régebbi) galaxist vizsgálunk, az egyre nagyobb sebességgel távolodik tőlünk. Az ebből fakadó Doppler-eltolódás pedig minden spektrális jellemzőt a hosszabb hullámhosszak irányába tol el (nem véletlenül hívják vöröseltolódásnak), a jól tanulmányozható optikai tulajdonságok így már az infravörösben érhetőek tetten. Elsősorban az utóbbi 11 milliárd év csillagkeletkezési üteméről és galaxisfejlődéséről tanulhattunk sokat a Spitzernek köszönhetően.

fig7_pia23123_spitzerdeepfield.gifA felvételen látható pöttyök zöme egy-egy galaxis - a piros karaikákkal jelölt pozíciókban pedig 13 milliárd fényév távolságban lévő példányok rejtőznek. Ezeket az extrém vöröseltolódásuk (z > 7) miatt tipikusan az infravörösben lehet tanulmányozni, mint ahogy az egyik ilyen ősi galaxisról készült Spitzer felvétel (jobb alsó sarok) is mutatja. (Kép: NASA / JPL-Caltech / ESA / Spitzer / P. Oesch / S. De Barros/ I. Labbe)

 

A Spitzer hattyúdalával természetesen nem ér véget az infravörös-csillagászat. Habár a tengerszint közelében nem lehetséges érdemi infravörös méréseket végezni, a 3500–4000 méter magasságban épített obszervatóriumok már a légköri vízpára 99%-a felett helyezkednek el, ez pedig legalábbis a közeli infravörös tartomány tanulmányozására elegendő. Még messzebbre (pontosabban magasabbra) megy a SOFIA, amely egy átalakított Boeing 747-es, belsejében egy 2,5 méteres teleszkóppal, hiszen 10.000 méteren már a távoli hullámhosszak is tanulmányozhatóak. Az űrben jelenleg csak a NASA WISE teleszkópja aktív (22 mikrométerig); a Spitzer többi kortársa, mint például az ESA által készített Herschel és a japán Akari, már évekkel ezelőtt befejezték működésüket. A következő játékos az infratartományban (sokszori halasztás után) a James Webb Space Telescope lesz – talán majd 2022-ben...

sig15-011_med.jpgVálogatás a Spitzer legszebb felvételeiből. (Forrás: NASA/JPL-Caltech)

 

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fiction-ről egyaránt.

 

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr3315467450

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

Sztyepadzso 2020.02.11. 12:54:13

Gyünyörű képek, de a 11. képen nem 13 milliárd fényév lenne az?

PFreddy 2020.02.11. 13:53:31

@Sztyepadzso: Természetesen milliárd. Köszönet az észrevételért, javítva!

korxi 2020.02.25. 09:57:54

Gondoltam is hogy vajon lesz - poszt a Spitzerről. Az hogy most leállt, kb. olyan jelentőségű hír, mint tavaly volt az, hogy befejezte a Curiosity.
De meg kell hogy mondjam, kicsit megmosolyogtatónak tartom, hogy kötelezően meg kell említeni a Spitzer méltatása során azt is, hogy az exobolygókutatásban is milyen jelentős volt. Tényleg volt benne szerepe, de az a ténykedésének kb. 1%-át sem teszi ki, dehát napjainkban ez a divatirányzat.
Ha az űrkutatással nagyon távoli kapcsolatban igénybe vesznek egy kalapácsot, arra is elmondják hogy ez is hozzájárul az exobolygókutatáshoz is.
Szóval lehet hogy egyszer nagyot nézek, de most egy túlhájpolt divatnak tekintem a témát. Pfreddy, aszondom hogy jól tetted, hogy az exobolygókról átváltottál a szupernovákra.

korxi 2020.02.25. 10:09:02

@korxi: Ja, nem Curosityt hanem Opportunity-t akartam írni természetesen.
De amúgy ez is jól rávilágít arra, hogy az Oppi leállása éppen azért nem nagy érvágás, mert van Curiosity (és nemsokára indul a Curiosity II).
Ezzel szemben a posztban is megnevezett égi obszervatóriumsorozatból a Compton már rég nincs, és most így már csak a Chandra és Hubbel van. Akiknek napjai meg vannak számlálva, a JWST meg sehol.
Mert nemigazbazmeg:
www.urvilag.hu/amerika_es_az_urcsillagaszat/20200212_jwst_tovabbi_keses_veszelye

PFreddy 2020.02.27. 21:12:04

@korxi: Nem is feltétlenül a hírértéke miatt született ez a bejegyzés, hanem mert jó apropót kínált, hogy egy kicsit bemutathassam infravörös csillagászatot és más űrtávcsöveket (lévén hogy az átlagember gyakran csak a Hubble-ről hallott).

Az exobolygókkal kapcsolatban igazad van, hogy jóval nagyobb szeletet harapnak ki a amédiafogyelemből, mint amennyit a tudományos súlyuk indokolna, de speciel a Trappist-1 tényleg nagy dolog volt... és hát szegény Spitzer-re senki nem emlékszik már a felfedezéssel kapcsolatban.

A Spitzer nem is a Great Observatories-sorból fog hiányozni (az a program már így is bőven túlteljesítette a 30 évvel ezelőtti elvárásokat), hanem az infravörös spektrumról. Az űrben konkrétan csak a WISE maradt, földfelszínről meg a közeli infra megoldható hellyel-közzel. JWST egészen közép-infráig fog látni, ha egyszer végre... A WFIRST előkészítését most kukázták a NASA-nál, a Boeing-en repkedő SOPHIA finanszírozása pedig bizonytalan. Jelen állás szerint hamarosan nem lesz szemünk a közép- és a távoli infravörös tartományra, ami kissé kínos.