Föreläsningsanteckningar - Fysik

1 Gammastralning
Forelasning 12/11
Gamma-stralning fran rymden
Ulf Torkelsson
Gammastralning ar elektromagnetisk stralning dar de enskilda fotonerna har hogre enegi an 100
keV, eller om man sa vill stralning med vaglangder kortare an 0.01 nm. Sa har energirik stralning
kan uppsta i reaktioner mellan atomkarnor eller enskilda elementarpartiklar. Eftersom stralningen
absorberas i atmosfaren maste man i allmanhet placera instrumenten pa satelliter ovanfor atmosf
"aren, dock sagaller vid energier over 100 GeV att man kan anvanda sjalva atmosfaren som
detektor.
For att studera mindre energirik gamma-stralning sa harmanbyggt ett antal satellitobservatorier.
De forsta var den amerikanska SAS-2 och den europeiska COS-B pa 1970-talet. Den mest
framgangsrika satelliten sa har langt var den amerikanska Compton Gamma Ray Observatory
(CGRO), som skots upp 1991 och undernastan 10 ar bidrog till att omdana gamma-astronomin
innan man till slut lat satelliten storta i Stilla havet. Nyligen sa har den europeiska Integralsatelliten
skjutits upp, som ar annu storre an CGRO, och nasta ar planerar NASA att skjuta upp
Swift, och omkring 2005 skall de ocksa skjuta upp GLAST.
Det stora problemet med att bygga astronomiska instrument for gammastralning ar att det
inte nns nagot material som kan re ektera gammastralning, och darmed kan man inte fokusera
gammastralningen. Darfor far man anvanda andra tekniker for att skapa en grov bild av himlen.
Lat oss ta CGRO som ett exempel. CGRO bar med sig fyra instrument, BATSE, OSSE, COMP-
TEL och EGRET. BATSE och OSSE var de instrument som arbetade vid de lagsta energierna
(20 - 600 keV och 0.05 - 10 MeV, respektive). Vid dessa energier kan man anvanda kristaller av
natriumjodid, NaI, i vilka det uppstar ljusblixtar da detra as av gammastralning. Problemet med
den har metoden ar att den inte ar sarskilt riktningskanslig, vilket man har lost pa olika satt med
BATSE och OSSE.BATSE bestar av 8 mindre detektorer, som ar placerade i satellitens horn,
sa att detektorerna tillsammans tacker hela himlen. Genom att jamfora hur mycket stralning, som
de olika detektorerna tar emot sa kan man bestamma gammakallans position OSSE har istallet en
kollimator som bara tillater att stralning fran en riktning pa himlen nar detektorn. COMPTEL
bestar av tva lager av detektorer, forst ett lager av vatskedetektorer, och sedan ett lager av natriumjodid.
En foton med en energi i intervallet 0,8 till 30 MeV kommer att skapa en ljussignal
ibada detektorerna. Genom att jamfora var i de bada detektorerna som fotonen har tra at kan
man till och med bestamma den riktning fran vilken fotonen har kommit.
EGRET, som ar kanslig vid de hogsta energierna, 20 MeV - 30 GeV, bygger istallet pa att
nar gammafotonen tra ar detektorn, sa sonderfaller den i ett par av en elektron och en positron
(elektronens antipartikel). Elektronen och positronen fortsatter sedan genom en gnistkammare,
innan de till slut tra ar en natriumjodidkristall. Genom att elektronen och positronen bar med
sig information om vilken riktning som fotonen kom ifran kan man aven med EGRET bygga upp
bilder.
Integral kommer inte att tacka dehogsta energier som EGRET har observerat, men har bade
en spektrometer (SPI) och ett avbildande instrument (IBIS) for energiomradet 15 keV till 10 MeV.
Det energiomrade som EGRET arbetade i kommer istallet att tackas av GLAST.
2 Gamma-ray bursts
Gamma-astronomin uppstod redan innan SAS-2 och COS-B. Efter att bade USA ochSovjetunionen
pa 1960-talet hade undertecknat ett avtal som forbjod testning av karnvapen i rymden, sa skot
det amerikanska forsvaret upp en serie av satelliter, Vela, for att overvaka att provstoppsavtalet
foljdes. Vela-satelliterna registrerade aldrig nagra karnvapenprov, daremot registrerade de ett
antal kortvariga utbrott av gammastralning. Dessa utbrott varade mellan nagra millisekunder
1

och upp till ett par hundra sekunder. Utbrotten gick inte att forklara, och var under era ar
hemligstamplade. Nar man slutligen var overtygade om att det var ett astronomiskt fenomen
havde man hemligstampeln och publicerade resultaten 1973.
Ett problem med studierna av gamma-ray bursts har alltid varit den daliga positionsbestamningen
inom gamma-astronomin. Ett satt att losa detta pa harvarit att placera gamma-detektorer
pa rymdsonder till olika planeter. Genom att jamfora tidpunkterna vid vilka dessa rymdsonder har
registrerat en gamma-ray burst har man kunnat berakna dess position pa himlen. Pa sasatt ar
man byggt upp era generationer av interplanetara natverk. Den tredje generationen togs i drift
1990. Trots de for nade positionsbestamningarna kunde man dock inte hitta nagon motsvarighet
till dem i andra vaglangdsband, utan de syntes bara i den mest energisvaga gammastralningen.
Under en lang tid radde det en stor osakerhet kring vad som ledde till gamma-ray bursts, och
speciellt hur avlagsna de var. Under 1970- och 1980-talen foresprakade manga forskare att de var
fenomen som hangde samman med neutronstjarnor i Vintergatan, medan ett fatal havdade att de
var mer avlagsna och lag utanfor Vintergatan. Om gamma-ray bursts uppstod pa neutronstjarnor
i Vintergatan borde de uppvisa samma fordelning pa himlen som andra objekt som tillhor Vintergatan,
det vill saga man borde kunna urskilja Vintergatans band och speciellt Vintergatans
centrum. Under 1980-talet gick det inteattsenagon sadan e ekt i deras fordelning over himlen,
men det gick att forklara med de fa gamma-ray bursts som hade upptackts.
BATSE-instrumentet pa CGROvar konstruerat for att hela tiden tacka hela himlen och registrera
eventuella gamma-ray bursts. Med BATSE gick det att upptacka en gamma-ray burst
per dag, vilket ledde till att man inom nagot ar hade ackumulerat sa manga gamma-ray bursts
att man borde kunna se Vintergatsbandet, men gamma-ray burstsvar helt jamt fordelade over
himlen. Den mest naturliga slutsatsen var da att de uppstod langt utanfor var Vintergata, men
en del forskare foresprakade fortfarande att de var en del av var Vintergata, men att de tillhorde
en mycket utbredd halo som omgav Vintergatan.
Det verkliga genombrottet kom efter uppskjutningen av den italiensk-hollandskarontgensatelliten
Beppo-SAX, som ocksa bar med sig ett instrument for att upptacka gamma-ray bursts. Detta instrument
bestar av tva delar, en del ar en gammadetektor och den andra ar en rontgenkamera
for fotoner med energier mellan 2 och 30keV, som tacker ett synfalt pa 40ganger 40 grader.
Rontgenkameran ger en positionsbestamning med en noggrannhet pa 3bagminuter. Denna position
ar tillrackligt noggrann for att man skall kunna rikta in de mer kansliga och hogupplosande
rontgeninstrumenten pa Beppo-SAX mot kallan inom tio timmar. Vid det laget kan man inte langre
observera sjalva utbrottet, men det gar att se en svag efterglod som uppstar i omgivningarna till
utbrottet. Samma efterglod har ocksa gatt att observera i vanligt synligt ljus, och man har da sett
att gamma-ray bursts uppstar i avlagsna galaxer.
Det problem som fortfarande aterstar ar att forklara hur dessa utbrott uppkommer. Vid ett
tillfalle har man hittat en gamma-ray burst i en galax samtidigt som man har observerat en ovanlig
form av supernova i galaxen. Detta har lett till en modell dar man antar att gamma-rayburstsar
en del av enhypernova, den explosion som uppstar da enmycket tung stjarna kollapsar och dor.
Gammastralningen uppkommer da endelav materialet i hypernovan slungas ut i en jet, som ror
sig nastan med ljusets hastighet.
Ett intressant problem har ar att det ar bara de langsamma gamma-ray bursts som man
har detekterat padet har viset rontgen och vanligt ljus. De snabba gamma-ray bursts, de med
utbrottstider pa under 1 s, syns inte i rontgendetektorn. Det ar mycket mojligt att dessa ar
en helt annan typ av fenomen, och man har lange spekulerat i att de skulle kunna vara par av
neutronstjarnor eller svarta hal som till slut kolliderar med varandra. Ett annat intressant fenomen
ar att en del av de utbrott man har registrerat i rontgen syns inte i gammastralningen. Dessa ar
formodligen samma typ av utbrott som de langsamma gamma-ray bursts, men av nagon anledning,
sa nar gammastralningen inte oss, kanske pa grund av atthypernovans jet inte pekar mot oss.
Det ar uppenbart att ett viktigt steg i att forsta gamma-ray bursts ar att observera sa manga
som mojligt av dem over ett brett vaglangdsintervall. Just for att kunna tacka ett brett vaglangdsintervall,
sa har Integral forsetts med monitorer for bade rontgen och vanligt ljus, och Swift ar specialkonstruerad
for att folja just gamma-ray bursts over ett brett vaglangdsband.
2

3 Par av svarta hal eller neutronstjarnor och gravitationsstralning
Precis som elektriska laddningar sander ut elektromagnetisk vagor da de accelereras, sakan massiva
kroppar sanda ut gravitationsvagor. I allmanhet ar den energi som sands ut padethar viset for liten
for att ha nagon praktisk betydelse, men i tata dubbelstjarnor, vilka bestar av tva neutronstjarnor
eller tva svarta hal, sa kan den har processen bli mer e ektiv. Detta leder till att dubbelstjarnan
langsamt forlorar energi och krymper ihop. Denna form av forandring av stjarnornas banor har
observerats i dubbelpulsaren PSR 1913+16, for vilket Hulse och Taylor ck nobelpriset i fysik
1993.
Till slut kommer de bada kompakta objekten att kollidera. Vid kollisionen kommer en stor
mangd energi att frigoras. En del av denhar energin kan ge upphov tillenkort gamma-ray burst,
men mycket av energin kommer att sandas ut som gravitationsvagor.
En av de stora utmaningarna inom astrofysiken idag ar att direkt detektera gravitationsstralningen.
I princip ar gravitationsstralningen detekterbar genom att da den passerar genom ett
objekt sa kommer den forst att trycka ihop objektet i en riktning, och dra ut det i den vinkelrata
riktningen, for att sedan gora tvartom. Problemet ar att i de esta detektorer blir utdragningen
mindre an en atomkarna, och darmed mycket svar att detektera. Darfor maste man bygga
detektorn sa stor som mojligt. Den storsta existerande detektorn ar LIGO, som bestar av ett
par ljuskanaler med en langd pa 4 km. Med hjalp av laserstralar som gar fram och tillbaka
genom ljuskanalerna kan man mycket exakt mata eventuella forandringar i ljuskanalernas langd
och darigenom detektera gravitationsstralningen. Dock galler det att det nns manga kallor till
brus for en detektor pa jordytan, som till exempel seismiska vagor fran jordbavningar och vibrationer
fran tra ken. Darfor nns det planer pa att skicka upp en formation av satelliter, och med
hjalp av lasrarmycket noggrant bestamma avstanden mellan satelliterna. Ett sadant projekt ar
LISA.
4 Gammastralning fran Vintergatan
I bilder fran bade COMPTEL och EGRET ar Vintergatsbandet ett av destarkast framtradande
dragen. Den stralning som COMPTEL detekterar fran Vintergatan kommer fran det radioaktiva
sonderfallet fran aluminium-26. Aluminium-26 ar en instabil isotop av aluminium som bildas i
samband med supernovaexplosioner. COMPTELs observationer ger oss darigenom en mojlighet
att kartlagga var i Vintergatan som nya grundamnen har bildats genom supernovor.
EGRET som ar kanslig vid hogre energier registrerar inte sonderfallande atomkarnor, men
ser istallet den stralning som uppstar da partiklar fran den kosmiska stralningen kolliderar med
atomer i det interstellara mediet, gasen mellan stjarnorna. Den kosmiskastralningen bildas ocksa i
samband med supernovaexplosioner. Det uppstar en chockvag da gasen som har kastats ut fran supernovan
kolliderar med det interstellara mediet. I denna chockvag accelereras enskilda atomkarnor
upp till hastigheter som ar nastan lika hoga som ljushastigheten. Som kosmisk stralning kan de
sedan fardas langa strackor genom Vintergatan, men Vintergatans magnetfalt hindrar dem fran
att slippa ut fran galaxen.
5 Neutronstjarnor
Aven om det inte ar sakert att gamma-ray bursts har ett samband med neutronstjarnor, sa har
CGRO observerat andra neutronstjarnor. En del av dessa neutronstjarnor har tidigare observerats
som radiopulsarer, och till exempel i Krabbpulsaren sa overensstammer pulsmonstren i radio och
gamma forhallandevis val, medan de inte alls overensstammer i andra pulsarer. Ett extremt
exempel pa detta ar Geminga, som overhuvudtaget inte kan observeras i radio eller vanligt ljus.
Ett fascinerande problem har ar att gamla, langsamt roterande pulsarer ar starkare kallor till
gammastralning an yngre pulsarer som sander ut mer radiostralning.
3

6 EGRET-kallor
EGRET upptackte att en typ av aktiva galaxer som kallas for blazarer kan vara starka kallor
till mycket energetisk gammastralning. Aktiva galaxer ar galaxer med ljusstarka karnor, som
dessutom ofta kan vara mycket variabla over tiden. Denna aktivitet uppstar nar gas och stjarnor
faller ner i ett supermassivt svart hal i galaxens centrum. I en del aktiva galaxer leder det till
att tva plasmajets skjuts ut i praktiskt taget diametralt motsatta riktningar fran det svarta halets
omgivningar. Om den ena jeten pekar praktiskt taget rakt mot oss observerar vi en ovanligt kraftig
variabilitet och ocksa ett starkt polariserat ljus fran galaxens karna. Sadana aktiva galaxer kallar
vi for blazarer.
Materialet i jeten ror sig med praktiskt taget ljusets hastighet. Om en foton fran galaxens
centrum tra ar en elektron i jeten, sa kommer den vid kollisionen att plocka till sig en del av
elektronens energi genom den sa kallade inversa Compton-e ekten. Darigenom okar fotonens energi,
och efter era sadana kollisioner har fotonen fatt sa mycket energi att den har blivit en
gammafoton.
En spannande utmaning ar att for manga av dekallor som EGRET har upptackt har man
annu inte kunnat hitta nagra motsvarigheter vid andra vaglangder.
4