טלסקופ פרמי: לימוד הקוסמוס באנרגיה גבוהה

מפת All-Sky של טלסקופ החלל פרמי גמא-ריי

אסטרונומים יצרו את מפת היקום של כל השמים באמצעות נתונים שנאספו על ידי טלסקופ החלל קרני גמא של פרמי. המפה מציגה קרני גמא שזיהה הטלסקופ בין השנים 2008 ל -2017. (אשראי תמונה: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)



טלסקופ פרמי גמא ריי הוא מצפה חלל שנועד לחקור את היקום בתדרים אנרגטיים במיוחד המכונים קרני גמא. הוא כולל השתתפות של נאס'א, משרד האנרגיה האמריקאי, וכמה שותפים בארצות הברית ובינלאומית. המשימה הושקה בשנת 2008 ונשארה פעילה החל מאמצע 2018.



פיתוח וציר זמן

בשנת 2000, סקר הדקדאלים של האקדמיה הלאומית למדעים, המזהה את סדרי העדיפויות העיקריים של הקהילה המדעית במחקר בשנים הקרובות, שליחות חקר קרני גמא אנרגטיות הייתה עדיפות עליונה לפרויקט בינוני על פי נאס'א.

מדענים ראו את פרמי כממשיכה של מצפה הכוכבים קומפטון-גמא של נאס'א, שפעל בין 1991 ל -1999. נאס'א אמרה שיכולות שדה הראייה וסקירת השמים של פרמי היו גדולות פי שניים מאחד המכשירים של קומפטון, ורגישות פי 30. פרמי תוכנן גם כהשלמה למצפה הכוכבים ניל ג'רלס סוויפט; סוויפט מותאמת כדי להסתכל על המיקומים של התפרצויות קרני גמא, כמו גם על זרמי הגלם שלהן.



נאס'א תיאר פרמי כ'שותפות אסטרופיזיקה ופיזיקת חלקיקים ', שכללה פיתוח של נאס'א בשיתוף משרד האנרגיה האמריקאי. שותפים בינלאומיים מצרפת, גרמניה, איטליה, יפן ושבדיה תרמו גם הם כמו גם מוסדות אחרים בארצות הברית. המשימה עלתה 690 מיליון דולר (עם תרומה אמריקאית של 600 מיליון דולר ותרומה בינלאומית של 90 מיליון דולר).

פרמי, שנקראה טלסקופ החלל השטח הגדול של קרני גמא (GLAST) עד שהגיעה למסלול המבצעי שלה, שוגרה ב -11 ביוני 2008, מתחנת חיל האוויר קייפ קנוורל על גבי רקטה כבדה של דלתא II. הוא הונח במסלול מעגלי סביב כדור הארץ בגובה של כ -560 קילומטרים. הוא מקיף את כדור הארץ כל 90 דקות. 'מסלול זה נבחר כדי למזער את ההשפעות של חלקיקים טעונים המקיפים את כדור הארץ, ואשר ייצרו אותות רקע לא רצויים בגלאים, תוך הבטחת חיי המשימה המלאים'. כך מסרה נאס'א .

פרמי תוכנן להחזיק מעמד חמש עד עשר שנים. המשימה עברה 10 שנים להיווסדה ביוני 2018 ועדיין הייתה פעילה החל מאמצע 2018, למרות שהיא צפויה לסיים את הפעילות בסתיו 2018.



[קשורים: יקום גמא ריי: תמונות מאת טלסקופ החלל פרמי של נאס'א]

מטרות מדעיות

פרמי נועד לבחון קרינת גמא, צורת האור האנרגטית ביותר שיש. בדומה לאור הנראה שאדם יכול לראות, קרני גמא נמצאות על הספקטרום של קרינה אלקטרומגנטית. אולם לקרני גמא יש אנרגיה גדולה פי מיליארדים מאשר אור גלוי.

בקרני גמא, כמה סוגים של עצמים אקזוטיים זורחים בבהירות. חוקרים ראו התפרצויות קרני גמא, שהן סוגי הפיצוצים האנרגטיים ביותר ביקום וייתכן שגרמו להכחדה גדולה על פני כדור הארץ. התלקחויות שמש-התפרצויות מהשמש שלנו-בהירות הן באור הנראה והן בקרני הגמא. כוכבים המסתובבים במהירות וצפופים במיוחד המכונים פולסארים הם גם מקורות לקרינת גמא.



חוקרים גם רוצים לבחון קרני גמא כדי להבין טוב יותר חומר המכונה חומר אפל. (בתחילה, מדענים חשבו שקרני גמא 'עודפות' עשויות להיות אות לחומר אפל, אך מחקר מאוחר יותר הטילו ספק בהשערה זו .) החומר האפל מהווה כנראה את רוב היקום הידוע, אך חומר אפל אינו יכול 'להיראות' על ידי טלסקופים קונבנציונאליים. הדרך היחידה שהוא גלוי לנו כרגע היא באמצעות השפעתו על אובייקטים אחרים, כגון השפעות כבידה. הבנה טובה יותר של חומר אפל תעזור לחוקרים לחזות תחזיות טובות יותר לגבי דברים כמו תנועות כוכבים וגורל היקום.

כדברי נאס'א, אלה הן מטרות המשימה העיקריות של פרמי:

  • חקור את הסביבות הקיצוניות ביותר ביקום, שבהן הטבע רותם אנרגיות הרבה מעבר לכל דבר אפשרי על פני כדור הארץ.
  • חפש סימנים של חוקי פיזיקה חדשים ומה המרכיב את החומר האפל המסתורי.
  • הסבר כיצד חורים שחורים מאיצים סילוני חומר עצומים למהירות כמעט קלה.
  • עזור לפצח את תעלומות הפיצוצים החזקים להפליא המכונים פרצי קרני גמא.
  • ענה על שאלות ארוכות טווח במגוון רחב של נושאים, כולל התלקחויות שמש, פולסארים ומקורן של קרניים קוסמיות.

כדי לבצע את חקירותיה, פרמי נושאת שני מכשירים: המכשיר העיקרי שלה הנקרא טלסקופ שטח גדול (LAT), ומכשיר משלים המכונה צג פרץ גמא (GBM), על פי מרכז טיסות החלל גודארד של נאס'א .

כדי להבין בצורה הטובה ביותר אילו תדרי אנרגיה הם רואים, הנה הסבר מהיר על אלקטרון וולט (eV). אלקטרון וולט מוגדר כמה אנרגיה צובר אלקטרון יחיד כאשר הפוטנציאל החשמלי שלו עולה בוולט אחד, על פי אנציקלופדיה בריטניקה . (פוטנציאל חשמלי הוא כמות העבודה להעברת מטען יחידה מנקודה אחת לאחרת נגד שדה חשמלי).

לאור הנראה יש אנרגיית פוטון שבין 1.6 eV ל- 3.4 eV. סולם האלקטרונים-וולט ממשיך כדלקמן: קילו-אלקטרון וולט (keV, אלף eV), וולט מגה-אלקטרון (MeV, מיליון eV), וולט גיגה-אלקטרון (GeV, אלף מיליון eV) וכו '. מושג כמה אנרגיה אנחנו מדברים עליה, אירוע ביקוע גרעיני יחיד נמדד בכ- 200 MeV, על פי המעבדה הלאומית לורנס ברקלי . פרמי יכולה לצפות באובייקטים במגוון רחב של קנה מידה - בין 8 keV ל- 300 GeV.

ה- GBM יכול לצפות בכל השמים ומיועד לזהות כ -200 התפרצויות קרני גמא מדי שנה, כמו גם אירועים כגון התלקחויות שמש. הוא מזהה קרני רנטגן וקרני גמא בעלות טווח אנרגיה בין 8 keV ל- 30 meV, אומר גודארד.

ה- LAT יכול לצפות ב -20 אחוז מהשמיים בבת אחת, ואם הוא יישאר במצב ברירת המחדל של 'סקירת שמיים', הוא ינוע סביב השמים כולו אחת לשלוש שעות. חוקרים יכולים גם לבחור להניף את ה- LAT כדי לצפות בחפצים מעניינים. הטלסקופ נועד גם להניע את עצמו כאשר ה- LAT או ה- GRB רואים פרץ קרני גמא. LAT אמור לראות פוטונים עם אנרגיות שבין 30 MeV עד 300 GeV לפחות, אומר גודארד.

אבני דרך נבחרות

פרמי גילה שתי בועות עצומות של חומר הבוקע ממרכז שביל החלב בשנת 2010. בוצעו תצפיות מעקב בצילומי רנטגן ואורכי גל רדיו, כולל מחקר טלסקופ החלל האבל שפורסם בשנת 2015 שעון הבועות האלה זז במהירות של 2 מיליון קמ'ש (3.2 מיליון קמ'ש).

נאס'א מפרסמת מעת לעת מפות מכל השמים מפרמי שנלקחו במשך מספר שנים של תצפיות, כגון גרסה זו של 2011 שכללו שנתיים של נתונים. יותר משליש מהמקורות שנחשפו במפה מסוימת זו מעולם לא זוהו קודם לכן. גם בשנת 2011 פרמי פרסם תוצאות מדעיות גדולות (כולל תשעה פולסרים שהתגלו לאחרונה) וזיהה פרץ מסתורי ליד ערפילית הסרטן.

באפריל 2013, אמרה נאס'א פרמי 'התחמק מכדור של 1.5 טון' קצת יותר משנה לפני כן, במרץ 2012. דיווח אוטומטי הראה כי פרמי רחוקה רק שבוע מהתנגשות שעלולה להרוס את קוסמוס 1805, לווין ריגול מתקופת הסובייטים, שפעם פעל במהלך המלחמה הקרה בשנות השישים. שני הלוויינים היו צפויים לעבור זה את זה בכמה מאות רגל בלבד, וזה מרווח טעויות קטן מאוד בחישוב מסלולי חלליות. המהנדסים פקדו על פרמי לירות את דחפותיו למשך שנייה אחת, תוך הימנעות מהאפשרות לאסון.

באותו אוגוסט הודיעה נאס'א כי תעשה זאת להאריך את משימת פרמי לשנת 2018 לאפשר לחוקרים יותר זמן לחפש קשרים בין קרני גמא לחומר אפל.

סיפור משנת 2014 באתר האחיות demokratija.eu LiveScience בחן את התופעה של הבזקי קרני גמא יבשתיים, שהם קרני גמא שמקורן בכדור הארץ במהלך סערות עזות. פרמי יכול לצפות במקורות ארציים אלה של קרני גמא , כמו גם אלה שמקורם רחוק יותר ביקום. באותה שנה, פרמי הבחין באור של קרני גמא כשהוא מתמקד בעדשת כבידה, המתרחשת כאשר כוח הכבידה של אובייקט מסיבי מעוות את האור של אובייקט רחוק יותר.

בשנת 2015, מחקר של פרמי העלה כי קרני גמא שמצאה יכולות להצביע על שדה מגנטי שמקורו בננו-שניות ספורות בלבד לאחר המפץ הגדול שיצר את היקום. אולם בזמנו, החוקרים אמרו כי האות שזוהה חלש ונדרש יותר תצפיות מעקב כדי להיות בטוחים.

במחקר אחר באותה שנה שנתמך על ידי תצפיות פרמי, אמרו החוקרים כי קרינת גמא מסתורית חודרת ליקום ככל הנראה מורכב ממקורות ידועים כבר . ובשנת 2016, מחקר נוסף של פרמי הראה כי חומר אפל סביר להניח שהוא רק תורם קטן לקרינת רקע גמא ברקע. מפה נוספת של פרמי לכל השמים שפורסמה בשנת 2016 הראתה את מקורות קרני הגמא של היקום ברזולוציה הגבוהה ביותר עד כה.

אנרגיה סולארית תורמת גם לקרני גמא, כפי שהראה מחקר שנערך בשנת 2017. התפרצויות שמש נסתרות נקשרו להתפרצויות קרני גמא נצפה על ידי פרמי.

במארס 2018 הייתה לפרמי בעיה באחד מכונני המערך הסולארי שלה, שהכניס את הטלסקופ ל'אחיזה בטוחה 'אוטומטית. כשהמערך הסולארי תקוע, הנדסו המהנדסים את פרמי לזווית קבועה ביחס למסלולו. 'הכיוון הזה הניח את מירב אור השמש על פאנל סולארי שהפסיק לנוע,' כך מסרה נאס'א . במאי 2018, פרמי חזר לפעילות מדעית; נאס'א עדיין בחנה את הסיבה לכישלון.