Polacy uczestniczą w badaniach kosmicznych wybuchów

W czwartek 15 września, o godzinie 22:04 (16:04 czasu polskiego) z Centrum Startowego Satelitów Jiuquan w Chinach wystrzelono rakietę, która wyniosła nową chińską stację kosmiczną "Tiangong-2" (TG-2) na orbitę okołoziemską. Wśród kilkunastu eksperymentów na pokładzie stacji znajdować się będą urządzenia projektu POLAR, służące do badania polaryzacji promieniowania gamma pochodzącego z rozbłysków gamma (GRB, ang. Gamma-Ray Burst), międzynarodowego projektu realizowanego przez Chiny (Institute of High Energy Physics), Szwajcarię (INTEGRAL Science Data Centre, Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire Uniwersytetu Genewskiego, Paul Scherrer Institut) oraz Polskę (Narodowe Centrum Badań Jądrowych). Zaangażowanie naszego kraju było możliwe dzięki zakończonemu już grantowi PSAP ("Technologie informatyczne dla potrzeb obserwacji astrofizycznych w szerokim zakresie energetycznym") o wartości 4,1 mln zł, finansowanemu ze środków Polsko-Szwajcarskiego Programu Badawczego (SWISS Contribution).

- Wystrzelona rakieta wprowadziła nasze urządzenia na orbitę okołoziemską. POLAR jest pierwszym w historii urządzeniem, przeznaczonym głównie do badania polaryzacji promieniowania gamma, pochodzącego z rozbłysków. Dotychczasowych pomiarów było zaledwie kilka i były one obarczone dużą niepewnością. Tymczasem polaryzacja może zdradzić nam, jaki jest mechanizm powstawania rozbłysków. Choć właściwych danych naukowych spodziewamy się dopiero za kilka miesięcy, to mamy nadzieję, że realizowany eksperyment wkrótce pozwoli nam lepiej zrozumieć naturę tych potężnych kosmicznych wybuchów, a tym samym rozwiązać kolejną zagadkę otaczającego nas wszechświata - powiedziała prof. Agnieszka Pollo, kierownik Zakładu Astrofizyki NCBJ.

Pierwszą koncepcję niewielkich rozmiarów detektora do badania polaryzacji promieniowania gamma pochodzącego z rozbłysków opracowali w 2005 roku Nicolas Produit oraz Wojtek Hajdas. W odróżnieniu od innych detektorów badających błyski gamma (np. umieszczonych na pokładzie satelity SWIFT), POLAR przeznaczony jest do pomiaru samego zjawiska polaryzacji, a nie lokalizacji źródeł błysków. Urządzenie składa się z 1600 podłużnych scyntylatorów (6 x 6 x 176 mm) ułożonych na kwadratowej powierzchni (40 × 40 scyntylatorów), dzięki czemu możliwe jest uzyskanie blisko 400 cm² efektywnego pola rejestracji oraz pomiaru asymetrii. Scyntylatory są zoptymalizowane do pomiaru rozpraszania comptonowskiego w zakresie energii od 50 keV do 500 keV, a emitowane w nich światło jest mierzone w 25 wieloanadowych powielaczach. Dodatkowo detektor wyposażony jest w pasywną osłonę, której zadaniem jest odcinanie niskoenergetycznego promieniowania kosmicznego. Detektor POLAR jednocześnie będzie "obserwował" bardzo dużą część nieba.

Polscy naukowcy i inżynierowie są twórcami kluczowych elementów eksperymentu POLAR. Około dziesięciu osób z NCBJ  w ciągu ostatnich dziesięciu lat zaangażowanych było bezpośrednio w prowadzone prace. Głównym ich osiągnięciem było zaprojektowanie i wybudowanie układu centralnego trygera wraz z niskopoziomowym oprogramowaniem, a także zaprojektowanie specjalistycznego zasilacza wysokiego napięcia.

- Tryger to system zbierający i analizujący wstępnie dane ze wszystkich czujników urządzenia, który zapewnia sprawną komunikację z 25 modułami elektroniki typu Front-End i satelitą, a także odpowiada za sterowanie zasilaczami wysokiego i niskiego napięcia - powiedział mgr inż. Dominik Rybka, projektant centralnego trygera z Zakładu Elektroniki i Systemów Detekcyjnych NCBJ i Paul Scherrer Institut.

W NCBJ powstały również modele inżynieryjnego prototypu zasilacza wysokiego napięcia dla 25 fotopowielaczy. Polacy uczestniczyli także we wszystkich fazach testowania detektora, podczas badań kwalifikacyjnych, akceptacyjnych oraz funkcjonalnych przeprowadzonych m.in. w European Synchrotron Radiation Facility (Francja), European Space Research and Technology Center (Holandia), CERN (Szwajcaria) i w Terni (Włochy). Ponadto trwają prace przygotowawcze do zbierania i analizy danych płynących z eksperymentu POLAR. Niewykluczone, że prace analityczne będą prowadzone w Centrum Informatycznym Świerk, na polskim superkomputerze dysponującym jedną z największych mocy obliczeniowych w Polsce.

- W projekcie POLAR wykorzystaliśmy nasze kilkudziesięcioletnie doświadczenie w fizyce jądrowej i budowie detektorów. Dzięki temu, że mamy wysokie kompetencje w tych obszarach, możliwe było zaprojektowanie, wybudowanie, przebadanie i zamontowanie serca urządzenia - modułu centralnego trygera, a więc kluczowego elementu pokładowego systemu zbierania danych. Dziś możemy powiedzieć, że dysponujemy unikatowym know-how w zakresie budowy aparatury kosmicznej, jak również mamy możliwość bezpośredniego odczytywania i interpretowania zebranych przez satelitę danych, do których nikt na świecie nie miał dostępu wcześniej - powiedział prof. Krzysztof Kurek, dyrektor NCBJ.

Naukowcy ze Świerka zdobyte doświadczenia zamierzają wykorzystać także w innych dziedzinach. Obecnie trwają rozmowy dotyczące możliwości zbudowania innowacyjnych detektorów Czerenkowa czy wprowadzenia ulepszonych rozwiązań w tomografii komputerowej, która znajduje coraz szersze zastosowania w medycynie jądrowej, szczególnie w diagnostyce i terapii chorób onkologicznych.

Błyski promieniowania gamma, choć odkryte na przełomie lat 60-tych i 70-tych XX wieku, wciąż stanowią dużą zagadkę dla naukowców. Pierwszych obserwacji dokonały amerykańskie satelity szpiegowskie w okresie zimnej wojny. Szukając dowodów na prowadzenie prób jądrowych (promieniowanie gamma powstaje m.in. podczas wybuchu bomby atomowej) zaobserwowały takie sygnały pochodzące spoza Ziemi. W toku intensywnych badań dowiedziono,  że rozbłyski odpowiadają najsilniejszym wybuchom we Wszechświecie, podczas których w bardzo krótkim czasie i małym obszarze emitowanej jest tyle energii, że wybuch największej bomby atomowej jest przy nich drobnostką. Zgodnie z przewidywaniami prof. Bogdana Paczyńskiego okazało się, że ich źródła znajdują się w innych galaktykach, odległych często o miliardy lat świetlnych.  Do dziś nie udało się poznać w pełni ich natury. Obecnie wiąże się je z wybuchami tzw. hipernowych oraz ze zderzeniami układów obiektów zwartych, np. dwóch gwiazd neutronowych czy gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Jednak aby potwierdzić te scenariusze i zrozumieć ich szczegółowy mechanizm, potrzeba wielu dodatkowych obserwacji.

NCBJ ma wieloletnie doświadczenie w dziedzinie satelitarnych eksperymentów astrofizycznych: polscy naukowcy aktywnie uczestniczyli w analizie danych japońskiego projektu AKARI, zaangażowani są obecnie projekty JEM-EUSO i ATHENA. Odpowiedników rozbłysków gamma w dziedzinie optycznej poszukuje zaś projekt "Pi of the Sky".