Mihkel Jõeveer, Horisont 5/1999

Astronoomias on tavaliselt tegemist suurte arvudega. Suured on taevakehade mõõtmed ja omavahelised kaugused, vastavalt sellele on pikad ka muutustega seotud ajavahemikud. Meie Päike on mitu miljardit aastat sätkuma ka mitme järgneva miljardi aasta jooksul. Õige püsivad on ka valdav enamik teisi tähti. Antiikajal sätendas taevas inimeste peade kohal samamoodi nagu praegu. Suurteks ja harvadeks eranditeks on aeg-ajalt ootamatult süttivad noovad ja eriti supernoovad, kus tähe heledus võib mõne päevaga kasvada miljoneid kordi, et jääda maksimumi ümbruses mõneks päevaks stabiilseks ja seejäel aegamööda kustuda. Aastakümneid peeti supernoovasid kõige "äkilisemateks" suure võimsusega astronoomiliste sündmuste seas ning enamik astronoome ei näinud vist uneski, et kuskil palju hullemaid plahvatusi ette tuleb. Kui tähistaevast jälgitaks vaid traditsiooniliste optiliste vahenditega, siis arvaksime seda siiani.

Gammakiirguse militaarsed vahimehed

1950. aastate lõpul sai suurriikidele selgeks tuumakatsetustest tekitatud radioaktiivse saasta ohtlikkus keskkonnale ning alustati läbirääkimisi tuumakatsetuste keelustamiseks Maa atmosfääris ja kosmoses. Kohe tekkis aga küsimus: kuidas kontrollida, et partner ikka lubadusi täidab. Kosmoses plahvatav tuumapomm tekitab võimsa röntgenikiirguse impulsi, millega kaasnevad energiarikas gammakiirgus ja neutronite voog. USA tuumauuringute keskuses Los Alamoses asuti kiiresti projekteerima ja ehitama vastavate detektoritega varustatud Maa tehiskaaslasi.

1963. aasta oktoobris lennutasid USA õhujõud 250 000 km kõrgusele orbiidile tuumakatsetuste jälgija Vela 1 (hispaania k. öövalve). Tegemist oli kahe identse satelliidiga, mis liikusid samal orbiidil, aga üks teisest pool ringi eespool, nii et üks kaksikutest registreeris Maa ühel poolel, teine vastaspoolel toimuvat. Vela 1 ja selle järglased tegutsesid edukalt, aga õnneks maapealseid tuumaplahvatusi nad ei registreerinud. Tuumariigid pidasid kinni katsetuste keelustamise kokkuleppest. Kuid päris ilma tööta vahimehed ei olnud, vahetevahel registreerisid nende vastuvõtjad lühiajalisi gammakiirguse sähvatusi. Et Vela kiirgusdetektorid nendeni jõudnud gamma-kvantide saabumissuunda ei osanud määrata, siis jäi kiirte allikate osas peaaegu kõik lahtiseks. Esialgu õnnestus välistada vaid tuumakatsetuste võimalus, sest gammasähvatustega samaaegseid, tuumapommide plahvatustele iseloomulikke tugevaid röntgensähvatusi ei registreeritud.

Et asi oli intrigeeriv, hakati järgmistele vahimeestele paigaldama täpseid kellasid. Vela 5 ja Vela 6 registreerisid gammasähvatuste toimumisaegasid täpsusega 1/64 sekundit. Kellaaegade võrdlemise kaudu oli lihtne näha, milline satelliit oli sündmusele lühemal, milline kaugemal ja nii sai hinnata allika suunda. Selline suuna määramine vastava geomeetria ülesande lahendamise kaudu on seda täpsem, mida täpsemad on satelliitidel asuvad kellad, mida kaugemal satelliidid üksteisest asuvad ja mida rohkem neid on. ühese lahendi saab, kui mõõtmisi teevad 4 või rohkem satelliiti. Niiviisi õnnestus võimalike gammasähvatuste allikate seast kõrvale jätta Maa ja Päike.

1973. aastaks olid määratud 16gammasähvatuse asukohad taevasfääril, nende jaotuses polnud eelissuundi. See peaaegu välistas võimaluse, et sähvatused toimuvad Päikesesüsteemis ning oli alust kahtlustada, et sähvatuste allikad võivad asuda koguni väljaspool Galaktikat, kusagil väga kaugel. Lihtsad kalkulatsioonid näitasid, et tõenäoliselt on tegemist väga energiarikaste protsessidega. Et aga kõik toimub väga kaugel ning tegemist ei ole vaenuliku riigi militaarse tegevusega, siis läks nähtuse edasine uurimine kaitseministeeriumide valdkonnast tsiviilteadlastele. Uute gammakiirguse teleskoopide ja observatooriumide ehitamine ja projekteerimine hakkas käima astronoomide eestvedamisel.

Tänapäevased gammakiirguse observatooriumid

Praegu liigub maaringsetel orbiitidel kümmekond gammakiirguse vastuvõtjatega varustatud satelliiti. Parimate vaatlusvõimalustega on 1991. aastal üles saadetud USA 17tonnine gammaobservatoorium CGRO (Compton Gamma Ray Observatory). Sellel observatooriumil asub üks tema olulisem seade - BATSE (Burst and Transient Source Experiment, Sähvatavate ja Ajutiste Kiirgusallikate Detektor). BATSE gammakiirguse vastuvõtjad on palju tundlikumad kui varasematel vahimeestel. See võimaldab kindlaks määrata ka hoopis nõrgemaidgammasähvatusi. Kui varem oli uuegammasähvatuse avastamine tähelepanuväärne sündmus, siis BATSE jaoks on see sõna otseses mõttes igapäevane tegevus, sest pea iga päev registreeritakse mõni uus sähvatus.

BATSE määrab ka sähvatuse allika suuna. Gammaobservatoorium on suure kasti kujuline, mille igas nurgas asub kiirgustajur. Millises ootamatus suunas ka järjekordnegammasähvatus ei toimu, ikka "valgustab" ta kasti nelja nurka, mõnda otse, mõnda kaldu. Selle järgi, kui intensiivselt ühe või teise nurga detektorid kiirgust registreerivad, on võimalik leida suund kiirgusallikale. Seda küll ainult täpsusega mõni kaarekraad.

Peagi selgus, et eelissuundi ei ole, allikad jaotuvad ühtlaselt üle taevasfääri. sähvatuste ajalise arengu uurimine näitas, et igal sähvatusel on oma nägu. Vahel on selleks ainult sekundiline terav üksikimpulss, mõnel sähvatusel võib olla üks või mitu laiemat maksimumi, teisel jälle hulk kammipiide-kujulisi teravaid impulsse jne. Nähtus on alati lühiajaline ja sulab sadakonna sekundiga või kiiremini üldise gammakiirguse fooni sisse.

BATSE-le pandi suuri lootusi. Usuti, et tema poolt leitavate arvukate sähvatuste seast õnnestub kohe identifitseerida vähemalt osa objekte ka optilises kiirguses. Optiline kiirgus kannab endas rikkalikku informatsiooni, ja astronoomidel on palju kogemusi selle analüüsimiseks. Kuidgammasähvatuste alal varjab loodus hoolega oma saladusi. Kui optilised teleskoobid jõudsid uurima BATSE näidatud taevaalasid, ei leitud sealt enam midagi tähelepanuväärset. Asuti otsima võimalusi koordinaatide täpsemaks määramiseks ning kiiremini reageerivaid optilisi vaatlusvahendeid tegema.

Esimene läbimurre toimus 1997, kui Itaalia-Hollandi satelliit BeppoSax, millel asuvad nii gamma- kui röntgenikiirguse vastuvõtjad, registreeris 28. veebruaril gammasähvatuse GRB 970228 (Gamma Ray Burst, aasta, kuu, päev; gammakiirguse sähvatus niisiis 1997. aasta 28. veebruaril). Õnneks vaatas samal ajal õiges suunas satelliidi laia vaateväljaga (40x40 kraadi) röntgenikaamera, mis registreeris uue röntgenikiirguseallika tekke ja määras selle täpse asukoha. Ajalise kokkulangemise tõttu polnud kahtlust, et tegemist oli sama sündmuse registreerimisega erinevates kiirgustes. Allika koordinaadid teatati optilistele astronoomidele, aga kulus siiski 21 tundi, kuniks optilised teleskoobid jõudsid vaatlemiseni. BeppoSaxi röntgenikaameralt näidatud asukohas leiti väga nõrk udune laik (tõenäoliselt ülikauge galaktika), mille servas asus kiiresti nõrgenev punktallikas (tõenäoliselt see, mis plahvatavast objektist oli järele jäänud). Objekti nõrkuse tõttu ei suudetud temast suurt midagi teada saada. Küll sai tugeva kinnituse oletus, et gammasähvatused toimuvad kaugetes galaktikates. Selgus ka, et astronoomide koostööd on vaja veelgi tõhustada. Täistabamuseni jäi siis veel peaaegu kaks aastat.

Lõpuks ometi tabatakse ka optiline sähvatus

1999. aasta 23. jaanuaril kell 9:47 Greenwichi ajas registreeris BATSE järjekordsegammasähvatuse alguse, määras kohe allika ligikaudsed koordinaadid. Jätkates ise sähvatuse arengu jälgimist, saatis teate toimuvast Maale. Idapoolkeral oli päev, läänepoolkeral öö. 4 sekundit pärast sähvatuse algust jõudis teade interneti vahendusel Los Alamoses mõõdunud kevadest tegutseva automaatkaamera ROTSE-1 juhtarvutisse. ROTSE-1 (Robotic Optical Transient Search Experiment) kujutab endast nelja Canoni telefoto-objektiivi (igaühe läbimõõt 11 cm) ja CCD-tüüpi kiirgusdetektorite baasil ehitatud suhteliselt odavat (hind 200 000 dollarit) automatiseeritud väiketeleskoopi. Tänu väiksusele on ta kiirelt manööverdav ja tal on suur vaateväli (16x16 kraadi). Oma tavaliste öiste patrullvaatluste ajal jõuab ta ekspositsioonidega katta kogu asupaigakohas näha oleva tähistaeva ning niiviisi silma peal hoida miljonitel tähtedel, jäädvustada meteoornähtusi (vt. Horisont nr. 3 1999, lk. 12), avastada komeete jne. Pärast BATSE-lt teate saamist katkestas ROTSE-1 parajasti poolelioleva patrullvaatluse, pööras kaamera objektiivid Karjuse tähtkuju poole GRB 990123 allika suunas ja alustas uut ekspositsiooni. Orbiidil registreeritud sähvatuse algusest oli möödunud ainult 10 sekundit. Tundub, nagu oleks automaatki närveerinud olulise vaatluse tegemisel, esimene võte ebaõnnestus! Kuid 22 sekundit pärastgammasähvatuse algust tehtud teine 5sekundiline ekspositsioon ja järgnevad tabasid kümnesse. ROTSE-1 ühe ekspositsiooniga jäädvustatakse suurusjärgus 100 000 tähte ning esialgu polnud astronoomidel selgust, kas neil midagi kasulikku piltidele jäi. Tuli veidi oodata.

Samal ajal jätkasid tööd orbitaalobservatooriumid ning USA mitme suure optilise teleskoobi vaatlejatel oli välja kuulutatud valmisolek nr. 1. Õhus oli elektrit, aeg jooksis ja hommik ligines. Idarannikul oli Päike juba tõusnud, kui 3,7 tundi pärast sähvatust õnnestus meile juba tuttaval BeppoSaxil oma röntgeniteleskoobiga tehtud vaatluste alusel määrata GRB 990123 täpsem asukoht ning saata andmed Maale. Kohe läksid läänerannikul Californias tööle Palomari observatooriumi 1,5 m ja 5 m optilised teleskoobid ning ka neil õnnestus allika suunalt pilt teha. Oli ka viimane aeg, idataevas juba ahetas, Päikesetõusuni jäi tund.

Sellal, kui Palomari mehed oma hiiglastega tööd tegid, uuris ROTSE-1 meeskond eesotsas prof. Carl Akerlofiga, kas nende tehtud piltidel on mingeid GRB 990123 jälgi BeppoSaxi näidatud koha lähedal. Oh seda rõõmu, oli küll ning tervelt kuuel pildil oli gammasähvatuse allika täheline optiline kujutis selgelt olemas. Esimesel õnnestunud ekspositsioonil oli ta nähtav 12. tähesuurusega tähena, 25 sekundit hiljem tehtud pildil oli ta 14 korda heledam (tähesuurus 8,95), aga edasi hakkas sähvataja heledus kiiresti langema. 9,5 minutit pärast maksimumi (kuues ekspositsioon) oli allika heledus vähenenud juba 170 korda (14,53 tähesuuruseni) ning järgmistel piltidel objekti enam näha ei olnud. Siiski oli ROTSE-1 teinud töö, mida mitmed suured observatooriumid olid üritanud kümneid aastaid. Esmakordselt oli jäädvustatudgammasähvatuse optiline heleduskõver maksimumheleduse ajal. Osutus, et sähvatus optilises valguses oli pea sama äkiline kui gammakiirtes. Optiline sähvatus võis jõuda maksimumi mõni sekund pärast gamma maksimumi ja langus võis olla veidi aeglasem. Milline on optiliste sähvatuste peenstruktuur, seda tuleb määrata järgmistel "kiirreageerijatel". Juba praegu võib öelda, et ROTSE-1 oleks võinud teha rohkem ja lühemaid ekspositsioone, aga kes seda ette teadis! Astronoomid olid valmis üllatusteks ning jäädvustatud sähvatuse kõrge maksimaalheledus, ehkki lühiajaline, oligi kõige üllatavam. Peaaegu universumi teisel serval toimunud sündmus olnuks nähtav isegi tavalise binokliga varustatud vaatlejale, muidugi õigel ajal õiges suunas vaadates.

Kui Palomari astronoomid oma pilte uurima asusid, sai selgeks, et nendegi kiirustamine polnud asjatu, gammaobjekt paistis piltidel selgelt, kuid vaid mõni tund varem tehtud ROTSE-1 vaatlustega võrreldes oli ta heledus jõudnud väheneda juba 10 000 korda. Ehkki GRB 990123 optiline järelheledus kahanes kiiresti ka järgmiste päevadega, jäi ta suurtele teleskoopidele kättesaadavaks siiski mitmeks järgnevaks nädalaks. Allika spektrites registreeriti palju ioniseeritud metallidele (Al, Zn, Cr, Fe, Mg) iseloomulikke neeldumisjooni. Sellised jooned esinevad ka paljude kaugete kvasarite spektrites. Nende joonte asukohtade järgi mõõdeti allika punanihkeks z = 1,60. Allika nõrgenedes, ilmus tema hajunud valguse tagant välja nõrk galaktika, milles grandioosne plahvatus ilmselt toimus. Galaktika punanihe osutus võrdseks gammaallika omaga.

Kauge plahvatuse ohtlik energia

Levinuima kosmoloogilise mudeli järgi vastab punanihkele 1,6 kaugus 3,7x10²⁵ km. Kaugust teades saab teha hinnanguidgammasähvatusel eraldunud energia kohta. Kui plahvatus oli enam-vähem sümmeetriline, siis ainuüksi gammakiirgust vabanes 3,4x 10⁵⁴ ergi, mille massi ekvivalent on 1,9 Päikese massi. Kaks Päikest oleks nagu mõne sekundi jooksul muutunud energiaks ja hajunud maailmaruumi. Seda koletut energiahulka on raske millegi kogemuslikuga võrrelda. Võrdlusvõimalus on olemas optilise kiirguse osas. ROTSE-1-lt registreeritud heledusmaksimumi ajal kiirgas GRB 990123 nagu 3x10¹⁶ Päikest, ehk miljon korda rohkem kui normaalgalaktika. Kui plahvatus toimunuks naabergalaktikas Andromeeda udukogus, siis oleks Maa-pealne vaatleja näinud ootamatult taevasse ilmunud täiskuud. Meie kodugalaktikas plahvatamise korral näinuksime taevasse ilmumas teist Päikest.

Õnneks toimub neid plahvatusi galaktika kohta mitte igal aastal ega igal sajandil, vaid vahest kord mõnesaja miljoni aasta kohta. Milline on selliste plahvatuste tekkemehhanism, pole seni selge. Arutatud on isegi galaktikatevaheliste sõdade varianti. Enne 23. jaanuari sündmust oli levinuimaks seletuseks kahe ülitiheda tähe kokkupõrkel tekkiv plahvatus. Enamus tähtedest asub kaksik- või mitmiksüsteemides, vananedes võivad neist saada neutrontähed või mustad augud. Gravitatsioonilise vastastikmõju tagajärjel aja jooksul tähed lähenevad üksteisele ning lõpuks põrkuvad. Kuid 23. jaanuari sündmus oli sedavõrd võimas, et neutrontähtede omaste massidega kehade kokkupõrkel vabanevast energiast jääks väheseks. Vaja on otsida uusi seletusi. Arutatakse võimalust, et nendel üliplahvatustel energia ei kiirgu ühtlaselt igas suunas, vaid põhiliselt kitsa kimbuna. Seega 23. jaanuari plahvatus võis meile tunduda eriti võimas seetõttu, et kiirtekimp oli suunatud otse meie poole. mõne teise kauge galaktika astronoomid, kes sündmust vaatlesid teisest küljest, võisid plahvatuse võimsuseks saada 10-50 korda väiksema arvu kui Linnutee astronoomid, nende hulgas ka meie siin - Maal.

Kahtlematult sai aga selgeks, et tegemist on erakordselt võimsa ja ohtliku nähtusega. Meid kosmosest ähvardavate katastrofaalsete sündmuste (asteroidi või komeedi pommitus, lähedase supernoova plahvatus) ritta lisandus teadmine kodugalaktikas toimuda võivast tugevagammasähvatuse ohust. 23. jaanuari sähvatuse võimsusega plahvatus võiks lõhkuda planeetide atmosfäärid ja hävitada elu märgatavas osas Galaktika ruumalast. Juba on jõutud avaldada arvamust, et on leitud põhjus, miks raadioastronoomide pingutustele vaatamata pole suudetud leida kosmosenaabreid. Tsivilisatsioonid on väga haruldased, sest aeg-ajalt korduvad võimsad gammakiirguse sähvatused hävitavad elu galaktikates.

MIHKEL JÕEVEER (1937) Horisont 5/1999
Tartu Observatooriumi kosmoloogiarühma juhtteadur. Füüsika-matemaatikakandidaat.