Ob najsilovitejših dogodkih v vesolju se sprosti neznanska količina energije, ki jo požene v vse smeri. Pri tem nastajajo našim očem nevidno sevanje gama in visokoenergijski delci, ki jih lovimo z različnimi observatoriji na Zemlji. Vendar številna vprašanja ostajajo neodgovorjena, pri razkrivanju skrivnosti visokoenergijskega vesolja si bodo raziskovalci in raziskovalke čez nekaj let lahko pomagali z observatorijem za astronomijo z visokoenergijsko svetlobo gama Polje teleskopov Čerenkova (CTAO).

O novem observatoriju in o visokoenergijski astronomiji smo govorili s prof. dr. Renejem A. Ongom, profesorjem na kalifornijski univerzi v Los Angelesu (UCLA) in predstavnikom konzorcija 1400 znanstvenikov iz 25 držav, ki sodelujejo pri gradnji CTAO. Prof. Ong ​je pred kratkim s predavanjem gostoval na Centru za astrofiziko in kozmologijo Univerze v Novi Gorici.

Ong in njegova skupina na UCLA sta vključena v vodilne observatorije na tem področju, med drugim v Veritas, ki je trenutno med najsodobnejšimi observatoriji za sevanje gama, Gaps, s katerim raziskujejo temno snov, in v skupino satelita Fermi. V raziskavah se osredotoča na astrofiziko visokoenergijskega vesolja, kot ga razkrivajo sevanje gama, nevtrini in kozmični delci, predvsem pa se skuša dokopati do skrivnosti temne snovi.

Zame osebno je največji izziv gradnje teleskopa CTAO usklajevanje celote, pravi Rene Ong. FOTO: Saša Senica  

Kaj so glavni viri visokih energij v vesolju in kako jih raziskujete?

V zadnjih 20 letih, kadarkoli in kamorkoli usmerimo kak nov teleskop z dovolj dobro občutljivostjo in čakamo dovolj dolgo, opazimo vire visokih energij. To je bilo pravzaprav popolnoma nepričakovano.

Med drugim opazujemo svetlobo zelo zelo kratkih valovnih dolžin in skušamo mapirati, od kod izvira. Takšnemu sevanju pravimo netermalno sevanje. Termalno je, ko na primer segrejemo žarnico in potem vidimo široko distribucijo energij. Pri netermalnem sevanju pa pravzaprav govorimo o pospeševalniku delcev. Različni viri v vesolju so za nas kot veliki hadronski trkalnik v Cernu. Te vesoljske pospeševalnike vedno poganja bodisi elektromagnetizem bodisi gravitacija, ti sili na različne načine pospešita delce skozi vesolje in mi poskušamo ugotoviti, kako se to zgodi.

To visokoenergijsko sevanje in/ali delci zagotovo ne izvirajo iz procesov, kakršni tečejo na našem Soncu oziroma v Osončju. V naši Galaksiji se visokoenergijski delci ali sevanje gama proizvedejo v supernovah, oddajajo jih tudi pulzarji, to so hitrovrteče se nevtronske zvezde. Zunaj nje pa so viri teh energij še v galaktičnih središčih, kjer so večinoma supermasivne črne luknje. Teh ne vidimo, vidimo pa učinke, ko material pada vanje. Ko se to zgodi, delci ne izginejo nemudoma, ampak se v neposredni okolici zgodijo procesi, ki jih lahko poženejo v okolico.

Ste te vire že vse identificirali ali so še možna presenečenja?

Pravzaprav upam, da oboje. V znanosti radi govorimo o »znanem« in o »znanem neznanem«, ko nekaj teoriziramo, nismo pa tega še eksperimentalno zaznali. Nazadnje pa so tu še »neznane neznanke«, ko odkrijemo povsem nepričakovan pojav, niti v teoriji napovedan.

Res imamo v naših opazovalnih katalogih neidentificirane vire, ki pa so koncentrirani v Galaktični ravnini. Menim, da je težava predvsem v lokaciji, da jih ne moremo natančno videti, ker je Galaktična ravnina zelo gosta z najrazličnejšimi objekti. Mislim, da so vsi ti viri podobni že znanim vrstam.

Z novimi observatoriji, kakršen bo CTAO, bomo zagotovo lažje natančno določili lastnosti vseh teh virov in jih razvrstili.

Ampak presenečenja so vedno možna. Dober primer so izbruhi sevanja gama, ki so jih odkrili v 60. letih prejšnjega stoletja z rentgenskimi sateliti, ki so jih sicer osnovali za zaznavanje jedrskih poskusov, da bi tako zagotovili spoštovanje pogodbe o prepovedi le-teh. Ti sateliti niso opazovali le navzdol, ampak so pogledali tudi navzgor in zaznali bliske sevanja gama, ki so izvirali iz oddaljenih dogodkov. To je bilo čisto naključno odkritje. Vsekakor upamo, da bomo videli kaj podobnega.

Kaj nam ti visokoenergijski viri povedo o samem vesolju, njegovi evoluciji?

Po eni strani se učimo o lastnostih teh kozmičnih pospeševalnikov. Ko opazujemo sevanje gama, lahko natančno določimo, kako so pospeševalniki porazdeljeni po vesolju. To je astrofizikalni del. Na drugi strani pa imamo še fizikalni del, ko opazujemo zelo visoke energije, ki so zunaj dosega pospeševalnikov, ki smo jih zgradili na Zemlji. Zelo pomembno je vprašanje o temni snovi, če je temna snov delec. Vesolje je naš vrhunski laboratorij, v katerem iščemo odgovore na temeljna vprašanja v fiziki. V vesolju se združijo najmanjši in največji objekti, kar je precej fantastično.

Delec temne snovi je med najbolj iskanimi – idej, kaj in kakšen naj bi bil, je kar nekaj. Še vedno pa velja, da o temni snovi veste/vemo le to, da obstaja.

Da, ta snov predstavlja 85 odstotkov vse snovi v vesolju. S CTAO bi lahko iskali kandidata za temno snov v energijskem oziroma masnem območju, ki je zunaj dosega trenutnih poskusov.

Morda je kandidatka, ki bi razložila temno snov, tako imenovana prvobitna črna luknja. Teh vsekakor na LHC ali drugih pospeševalnikih ne moremo odkriti. Te male črne luknje, ki so lahko različnih velikosti, bi lahko nastale na samem začetku vesolja. Za zdaj ne vemo, ali so kdaj res obstajale in ali še obstajajo, lahko pa bi jih zaznali prek izhlapevanja, tako imenovanega Hawkingovega sevanja. V primerjavi z znanimi črnimi luknjami so kratkožive in bi se lahko ob svoji smrti izdale z izbruhom sevanja gama. CTAO bo dovolj zmogljiv, da bi lahko to videli. Podpis prvobitnih črnih lukenj bi torej bil izbruh sevanja gama iz enega samega vira na nebu, ki se ne bi nikoli več ponovil, ker bi črna luknja izhlapela. Seveda se bo treba prepričati, da se izbruh ne sklada z nobenim drugim virom. In še upati, da bi zaznali več podobnih dogodkov, da bi postali statistično značilni.

Kako teče gradnja CTAO in kateri so največji izzivi?

Načrt je, da bi na severni polobli teleskopi že začeli delovati čez štiri leta, nato še na južni. Morda tega cilja ne bomo dosegli v celoti, morda bo zgrajenih manj teleskopov, kot želimo, vendar dovolj za zagon in testiranje, da se bomo prepričali, da stvari delujejo dobro, ter da začnemo delati znanost. Observatorij postavljamo na obeh hemisferah, ker so tako na severnem kot južnem delu neba edinstveni objekti, in cilj je, da pokrijemo celotno nebo. Južni del observatorija bo večji, saj bo vseboval tri velikosti teleskopov, severni pa le srednje in velike.

Zame osebno je največji izziv gradnje tega teleskopa vsekakor usklajevanje celote. V projekt je vključenih več kot tisoč raziskovalcev iz različnih držav, financira se iz različnih virov. Vsi so seveda zelo motivirani, saj imamo skupni cilj, a imajo posamezne države ali skupine tudi različne ideje in pomisleke. Potem so tu še tehnični izzivi, na eni strani gradimo v puščavi visoko v Andih, na drugi na La Palmi, ki je vulkansko aktiven otok. Ogledala morajo biti robustna, dobro izdelana, prav tako elektronika in kamere. Ker gre za polje teleskopov, morajo biti enostavni za servisiranje.

Videoposnetek, kako bodo delovali teleskopi CTAO (v angleščini):

Vaša skupina sodeluje tudi z drugimi podobnimi observatoriji. Kakšne so razlike in kaj bo glavna prednost CTAO?

Observatoriji, kot so Veritas v Arizoni, Magic na La Palmi in Hess v Namibiji, so sestavljeni iz majhnega števila teleskopov, od dveh do petih, ki pokrivajo razmeroma majhno območje energij. CTAO bo na obeh poloblah sestavljen iz skupno 64 teleskopov, torej iz več kakor trenutne generacije, kar pomeni, da bomo imeli večjo občutljivost in boljšo ločljivost. Zelo pomembno pri projektu je tudi, da bodo podatki javno dostopni.

Sodelujete tudi pri zanimivem eksperimentu Gaps, v katerem boste predvidoma konec leta z Antarktike visoko v ozračje poslali balon.

Tudi s tem eksperimentom iščemo temno snov. Posredno jo bomo skušali zaznati – ideja je, da delec temne snovi anihilira, ob tem pa se morda ustvari sevanje gama, morda tudi antimaterija. Glavni cilj eksperimenta Gaps je ugotoviti, ali je v naši Galaksiji ali v vesolju kakršenkoli vir antimaterije, ki ga ne moremo pripisati do zdaj znanim fizikalnim procesom. Antimaterija, na primer antielektron ali pozitron, v primeru Gapsa antidevteron (antimaterija jedra devterija), to sta antiproton in antinevtron skupaj, ki smo jo zaznali v zadnjih 80 letih, je bila vedno razložljiva z interakcijo navadne snovi z drugo snovjo. Gaps, ki bo poletel v nebo nad Antarktiko, pa bo prvič skušal zaznati antimaterijo, ki ni ustvarjena iz običajnih virov. Balon z instrumentom se bo dvignil na višino 35 kilometrov, kjer bo okoli 30 dni.

Vi ste sicer začeli kot fizik osnovnih delcev, nato pa vas je pritegnila visokoenergijska astrofizika.

Pri svojem diplomskem delu sem se ukvarjal s fiziko delcev, ko sem raziskoval v Centru linearnega pospeševalnika Stanford. Ko sem šel na univerzo v Chicagu, sem imel možnost delati na različnih projektih, večina je bila povezana s fiziko delcev, povsod so bili vpleteni odlični raziskovalci. Eden izmed projektov je bil nekoliko ​odštekan projekt izgradnje niza scinitalcijskih števcev v puščavi v Utahu v vojaški bazi, sredi ničesar, ki pa ga je vodil vrhunski raziskovalec, tudi nobelovec, James Cronin. Odločil sem se, da priložnost izkoristim in se naučim novega področja. Tako smo zgradili observatorij Casa za zaznavanje sevanja gama z energijo nad 100 teraelektronvoltov (TeV), a nismo zaznali ničesar. Zdaj vemo, da smo bili precej blizu, večji in celovitejši podobni eksperimenti v Mehiki in na Kitajskem zaznavajo takšno sevanje gama.

No, obstaja pa tudi tehnika Čerenkova, ko visokoenergijski fotoni gama ali kozmični delci interagirajo z ozračjem in se proizvede par elektron-pozitron z ogromno hitrostjo, ti delci oddajajo sevanje Čerenkova, kar lahko uporabimo za določanje smeri in energije sevanja gama. Tehnika me je zanimala, znova sem zamenjal področje in zdaj to delam zadnjih 25 let. Menim, da se je dobro preizkušati v novih stvareh.

Morda je kandidatka, ki bi razložila temno snov, tako imenovana prvobitna črna luknja, pravi sogovornik. Na fotografiji je sicer jata galaksij Abell 2390 FOTO: ESA/Euclid/NASA/AFP

CTAO ima zastavljenih deset glavnih znanstvenih projektov, od raziskovanja temne snovi, galaktičnih središč, tranzientov, jat galaksij do preučevanja Galaktične ravnine. Kateri je za vas in vašo skupino ključen?

Zadnjih šest ali sedem let se največ ukvarjamo z viri v Galaktični ravnini, zlasti z ostanki supernov in pulzarjev, ter temno snovjo.

Temna snov je vsekakor izjemna uganka. Menite, da boste astrofiziki in fiziki delcev razvozlali njeno skrivnost v prihodnjih nekaj letih?

Upam, da bomo v prihodnjem desetletju prišli do velikega odkritja. Nekoliko sem sicer pesimističen, ker smo izločili nekatere najboljše kandidate in je tako vse večja verjetnost, da bodo odkritja še vedno zelo izmuzljiva. To je zelo pomembno vprašanje za fiziko delcev, kozmologijo in astrofiziko. So pa takšne skrivnosti zanimive tudi za širšo javnost, da ostaja radovedna in navdušena. Zgodovina znanosti nas uči, da včasih naša odkritja vodijo še do globljih skrivnosti. Znanost je progresivna.

Odkritje odgovora na vprašanje, kaj je temna snov, bo verjetno primerljivo s Kopernikovo revolucijo. Ne le da nismo v središču vesolja, niti nismo iz snovi, iz katere je sestavljena večina vesolja. To pravzaprav ni le znanstveno vprašanje, je tudi filozofsko, v nekem smislu tudi duhovno. Zato si toliko ljudi prizadeva, da bi se človeštvo dokopalo do tega odkritja.