Untitled Document

A múlt évszázad középéig a csillagászok kizárólag a látható fény segítségével szereztek információt az égitestekről és a világmindenségről. A 2002. évi fizikai Nobel-díjat olyan tudósoknak ítélték oda, akik új módszereket vezettek be a csillagászatban, a neutrínókat₁ és a röntgensugárzást₂ használták fel a világmindenség tanulmányozásához, és ezzel két új ablakot nyitottak a világmindenségre.

Raymond Davis Jr. és Masatoshi Koshiba a Nobel-díj felét kapták megosztva a kozmikus neutrínók méréséért. A Nobel-díj másik felét Riccardo Giacconinak ítélték a röntgensugárzás kozmikus forrásainak felfedezésében játszott úttörő szerepéért.

Wolfgang Pauli hogy az energiamegmaradás elvét megőrizze a b-bomlásnak₃ nevezett reakció leírásában 1930-ban olyan rejtélyes részecskék (neutrínók) létezését feltételezte, amelyek az anyaggal csak nagyon gyenge kölcsönhatásba lépnek, ezért detektálásuk nehéz (W. Pauli: Nobel-díj, 1945). Kimutatásuk valóban olyan bonyolultnak bizonyult, hogy a feltételezésüktől számítva több mint 25 év telt el addig, amíg Fred Reines és Clyde Cowan Jr. kísérletileg kimutatta a létezésüket (F. Reines: Nobel-díj, 1995).

Az 1930-as évek végén megalkották azt az elméletet, amely szerint a Nap belsejében termonukleáris reakciók mennek végbe, és ezek a reakciók termelik azt a hatalmas mennyiségű energiát, amelyet a Nap szétsugároz. Ezekben a reakciókban hidrogénből (1H) hélium (4He) keletkezik. A Nap által szétsugárzott energiának köszönhetjük többek között, hogy a Földön kialakult az élet. Ezekben a termonukleáris reakciókban több helyen neutrínók keletkeznek. Bruno Pontecorvo olasz származású fizikus 1945-ben azt állította, hogy klórt tartalmazó anyagot lehet használni a Napból érkező neutrínók, a napneutrínók kimutatásához (n_e + ³⁷Cl Ž ³⁷Ar + e , ahol az ³⁷Ar radioaktív és a felezési ideje 35 nap).

R. Davis Jr. vezetésével valósították meg azt a kísérletet, amely először detektálta a napneutrínókat. A detektorban 600 tonna klórt tartalmazó közönséges tisztítófolyadék volt. Ez a detektor 30 év alatt kb. 2000 olyan eseményt detektált, amelyet a Napból érkező neutrínók okoztak.
M. Koshiba vezette azt a kutatócsoportot, amely egy hatalmas detektort (Kamiokande) épített a Kamioka bányában, a japán Alpokban. Ez a detektor 2142 tonna nagyon tiszta vizet tartalmazott. A detektorral végzett mérésekkel igazolták R. Davis Jr. mérési eredményeit. Ez a detektor meg tudta határozni azt az irányt, ahonnan a neutrínók jöttek, így közvetlen bizonyítékot adott arról, hogy a neutrínók a Nap felől érkeztek. 1987-ben nagy szerencséje volt ennek a kutatócsoportnak. 1987 február 23-án neutrínókat detektáltak, amelyek egy Nagy Magellán Felhőben felragyogó szupernóvától4 (SN 1987A) származtak. A detekálás nehézségét jól érzékelteti, hogy amikor a szupernóvában keletkezett neutrínók közül 10¹⁶ = 10 000 000 000 000 000 neutrínó haladt át a detektoron, a berendezés csupán 12-t észlelt.

Ezek a mérések igazolták, hogy a Napban és a csillagokban termonukleáris reakciók mennek végbe, és sokat segítettek abban, hogy ezeket a folyamatokat jobban megértsük.

M. Koshiba és munkatársai megépítették a Super-Kamiokande detektort, amelyben 50 000 tonna tiszta víz van, és 14 000 fotoelektronsokszorozó figyeli a detektorban bekövetkező eseményeket. Ennek a detektornak a mérései adták az első megbízható bizonyítékot arra, hogy a természetben megvalósul a neutrínóoszcilláció jelensége, azaz a különböző típusú neutrínók át tudnak egymásba alakulni. Ez a fizikai jelenség az elmélet alapján akkor jön létre, ha valamelyik neutrínónak zérustól eltérő véges tömege van. Így a kozmikus neutrínók mérése alapján a három különböző típusú neutrínó közül legalább egynek zérusnál nagyobb tömege van.

A Nap és más csillagok különböző hullámhosszúságú elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A hullámhossztól függően ez az elektromágneses sugárzás lehet például látható fény vagy láthatatlan röntgensugárzás, amelyet W. C. Röntgen, a sugárzás felfedezője, X-sugárzásnak nevezett el. A kozmikus X-sugarakat az atmoszféra elnyeli. Ezért azokat a berendezéseket, amelyek ezt a sugárzást mérik, az atmoszférán kívülre kell helyezni. Ez a magyarázata annak, hogy bár a röntgensugárzást közvetlenül a felfedezése után már alkalmazták az orvostudományban, és néhány év elmúltával az anyag tanulmányozásának nélkülözhetetlen eszközévé vált, majdnem egy évszázadot kellett várni ahhoz, hogy az űrkutatásban is felhasználják.
R. Giacconi és munkatársai fejlesztették ki az első röntgentávcsövet. Olyan berendezéseket építettek, amelyek a Naprendszeren kívülről mérték az X-sugárzást. 1962-ben Giacconi a Naprendszeren kívüli X-sugárforrást fedezett fel. Az ő kezdeményezésére helyeztek röntgentávcsöveket a világűrbe, amelyekkel feltérképezték az égboltot (Uhuru, 1970; Eistein X-ray Observatory, 1978; Chandra, 1999 stb).

Az X-sugárzás a világűrben például olyan helyeken jön létre, ahol erős gravitációs tér van, ahol hatalmas robbanások mennek végbe vagy ahol nagyon magas a hőmérséklet. Léteznek például olyan kettős csillagok, ahol az egyik csillag szupernóvarobbanáskor keletkező neutroncsillag^4,5. A neutroncsillag erős gravitációs tere folyamatosan elszívja a másik csillag anyagát. Az elszívott anyag a neutroncsillag felszínébe csapódva lefékeződik és X-sugárzást bocsát ki.

Tycho Brahe dán csillagász 1572-ben a Kassziopeia csillagképben megfigyelt egy szupernóvát (Cassiopeia A). R. Giacconi kezdeményezte a Chandra műhold elkészítését, amelyet 1999-ben bocsátottak fel. Ez a műhold szenzációsan éles felvételeket készített a szupernóva maradványairól egy röntgenteleszkóppal. A röntgenképeken természetesen csak különböző sugárintenzitások vannak. Ezeket a különböző intenzitásokat szokták különböző színekkel megjeleníteni a látványosság kedvéért. Herbert Friedman egy V-2 rakétával fellőtt műszerrel mérte a napkorona X-sugárzását. A röntgencsillagászat a napkorona tanulmányozásával kezdődött, majd kiterjedt a Naprendszeren kívüli térségekre. Ezek a kutatások nagyon fontos ismereteket szereztek például a csillagok fejlődéséről, a szupernóvákról, a neutroncsillagokról, a kettős csillagokról, a fekete lyukakról és a világmindenségben található háttér X-sugárzásról.

A röntgencsillagászat bevezetésében H. Friedman, Bruno Rossi és R. Giacconi játszott döntő szerepet. Közülük ma már csak R. Giacconi él. Ő kezdeményezte és fejlesztette ki az első X-sugárzást mérő űrszondát és az első X-sugárzást mérő teleszkópot, s úttörő felfedezéseket tett ezekkel a műszerekkel.

1. A neutrínók parányi semleges részecskék, amelyek az anyaggal a gravitációs kölcsönhatáson kívül csak a gyenge kölcsönhatás útján hatnak kölcsön.
Négy különböző kölcsönhatás létezik: az erős, az elektromágneses, a gyenge és a gravitációs. A neutrínó név, amely olaszul kis semleges részecskét jelent, Enrico Fermitől származik. A neutrínóknak nincs tömegük, vagy ha van, nagyon kicsi. Három elektromosan töltött lepton létezik: az elektron (e) és a hozzá hasonló, de nála nehezebb müon (m) és a tau (t). Az elektromosan töltött leptonok három kölcsönhatásában vesznek részt (elektromágneses, gyenge és gravitációs), de nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban. Minden töltött leptonhoz tartozik egy elektromosan semleges neutrínó: az elektronhoz az elektronneutrínó (n_e), a müonhoz a müonneutrínó (n_m), a tauhoz pedig a tauneutrínó (n_t).

2. A röntgensugárzás vagy X-sugárzás elektromágneses sugárzás, melynek hullámhossza a 2ˇ10⁸ 10⁴ m tartományba esik. Ezt a sugárzást 1895-ben Wilhelm Conrad Röntgen fedezte fel (W. C. Röntgen: első fizikai Nobel-díj, 1901).

3. A b-bomlásban keletkezik egy elektron (e b-sugárzás), egy antielektronneutrínó (

e) és egy atommag, amelynek a rendszáma eggyel magasabb (egy pozitív töltéssel több töltése van), mint a reakció előtti atommagnak:
(N,Z)Ž(N1,Z+1) + e +

e,
ahol N a neutronok száma, Z pedig a protonok száma.
A b-bomlásra példa a szabad neutron bomlása:
n Ž p + e +

e ,
ahol n a neutront, p a protont, e az elektront és

e az antielektronneutrínót jelöli.

4. A szupernóva olyan változó csillag, amelynek fényessége hirtelen (néhány nap alatt) sok milliószorosára nő: olyan fényessé válik, mint egy galaxis. Egy galaxisban kb. 1010 csillag van. Egy nagy tömegű csillag pusztulása nem békésen, hanem az Univerzumban ismert legnagyobb robbanásban megy végbe. A csillagászok ezt a csillagrobbanást szupernóvának nevezik. A csillagrobbanásban olyan folyamatok mennek végbe, amelyekben rengeteg neutrínó keletkezik. A csillagászok a szupernóvákat két csoportba sorolják: I. és II. típusú szupernóvát különböztetnek meg. A II. típusú szupernóva akkor keletkezik, amikor egy csillag, amelynek a tömege 8 naptömegnél nagyobb, elhasználta nukleáris fűtőanyagát. Emiatt nem képes ellenállni a gravitációs vonzásnak, amelynek hatására összeroppan. Az eredeti csillagból neutroncsillag vagy fekete lyuk keletkezik, és közben egy hatalmas robbanásban a csillag külső része szétszóródik a csillag körüli térbe. Az I. típusú szupernóvák kettős csillagokból keletkeznek. A kettős csillag egyik csillaga folyamatosan elszívja a másik csillag anyagát, és amikor a csillag tömege eléri a kritikus tömeget, bekövetkezik a robbanás. Ezeknek a szupernóváknak közel azonos a fénykibocsátsuk, így távolságmérésre használják őket.

5. A neutroncsillag szupernóvában keletkezik és átmérője kb. 20 km, a tömege pedig több naptömeggel egyenlő. Egy szupernóva belsejében olyan nagy nyomás alakul ki, hogy ez összepréseli az atomban lévő protonokat és elektronokat, amelyekből neutronok keletkeznek, így ennek a csillagnak az anyaga túlnyomóan neutronokból áll.