Gama žiarenie je elektromagnetické žiarenie s extrémne krátkymi vlnovými dĺžkami, vysokými frekvenciami a veľkou energiou. Je emitované pri špeciálnych typoch interakcií a v okolí exotických vesmírnych zdrojov. Detekcia tohto žiarenia vedcom otvára nové výhľady na vesmír.
Už odpradávna sa ľudský zrak upieral na nočnú oblohu. Naši predkovia sledovali nebeské objekty a boli schopní vyčítať, že niektoré z nich sa pohybujú po oblohe inak ako ostatné. Okrem klasických stálic (hviezd), Mesiaca a Slnka pozorovali aj hviezdam podobné objekty, ktoré však akoby medzi stálicami putovali. Tými bolo päť pútnikov (z gréčtiny planetes), v súčasnosti známych ako planéty našej slnečnej sústavy – Merkúr, Venuša, Mars, Jupiter a Saturn. Prostredníctvom opakovaných pozorovaní staroveké civilizácie získali veľké množstvo informácií o pohybe týchto telies.
Naprieč spektrom
Slúžilo im na to ľudské oko, ktoré nám ako jedinečný detektor na detekciu svetla umožňuje získavať veľké množstvo informácií o svete okolo nás. No postupným rozvojom vedy sa ukázalo, že aj ono má svoje limity. Je totiž schopné detegovať len výsek elektromagnetického spektra. James Clerk Maxwell v 19. storočí prostredníctvom rovníc popisujúcich elektrické a magnetické polia ukázal, že svetlo predstavuje vlnenie elektrických a magnetických polí. Svetlo je tak odvtedy chápané ako elektromagnetická vlna šíriaca sa rýchlosťou svetla, o čosi pomalšie ako 300 000 km/s.
Toto vlnenie vieme popísať dvomi veličinami – vlnovou dĺžkou (dĺžkou medzi dvomi po sebe nasledujúcimi maximami alebo minimami) alebo frekvenciou (počet vĺn, ktoré prejdú konkrétnym bodom za jednu sekundu). Ľudské oko je citlivé na vlnenie s vlnovými dĺžkami od približne 400 do 700 nanometrov. Jeden nanometer predstavuje jednu miliardtinu metra.
Na prelome 18. a 19. storočia William Herschel ukázal, že okrem klasického viditeľného svetla, ktoré vieme rozložiť pomocou hranola do farebného spektra, existuje aj akýsi iný typ svetla nachádzajúci sa za červenou farbou. Ba čo viac, tento typ svetla je zodpovedný za zvyšovanie teploty. Objavil tak infračervenú zložku elektromagnetického spektra. Vlnové dĺžky tohto svetla sú dlhšie ako 700 nanometrov.
Postupným rozvojom techniky bolo následne možné rozšíriť hranice elektromagnetického spektra na jednu aj na druhú stranu vlnových dĺžok. Ešte je vhodné spomenúť, že so stúpajúcou frekvenciou a klesajúcou vlnovou dĺžkou rastie energia žiarenia. Pribudli tak oblasti ako rádiové vlny (veľké vlnové dĺžky) a na opačnej strane UV žiarenie, röntgenové žiarenie a postupne až žiarenie gama.
Na Zemi…
Pri mimoriadne krátkych vlnových dĺžkach, aké dosahuje žiarenie gama, už nie je praktické používať na jeho popis vlnové dĺžky, prípadne frekvencie. Prechádza sa preto do energetickej škály a štandardne sa používa energia. Tú vyjadrujeme v elektrónvoltoch (eV) predstavujúcich jednotku energie využívanú v atómovej a subatómovej fyzike. O gama žiarení hovoríme vtedy, keď dosahuje energie 100 kiloelektrónvoltov (keV) a vyššie.
Pri týchto energiách ide o ionizujúce žiarenie, ktoré je zodpovedné aj za vytváranie rôznych mutácií. Je tak potenciálne zdraviu škodlivé a je potrebné sa proti jeho zvýšeným dávkam chrániť. Prvýkrát bolo pozorované v roku 1900 pri špecifických jadrových premenách. V prípade rádioaktívnych žiaričov, ktoré emitujú gama žiarenie, je potrebné tienenie v podobe rôznych bunkrov alebo olovených doštičiek. Neskôr sa však ukázalo, že existujú aj iné zdroje tohto žiarenia.
Gama žiarenie je možné pozorovať už v našej atmosfére. Vzniká ako produkt interakcie primárnych vysokoenergetických častíc so zemskou atmosférou a je tak súčasťou spŕšok sekundárnych častíc, ktoré sa šíria k zemi. Je možné pozorovať ho aj pri elektrických výbojoch v našej atmosfére.
… aj mimo nej
Rozvojom detekčnej techniky a kozmonautiky sa ukázalo, že existujú aj zdroje mimo zemskej atmosféry. Slnko samotné emituje isté množstvo gama žiarenia predovšetkým pri slnečných erupciách. Následne však existuje veľká skupina objektov, ktoré sa nachádzajú v našej Galaxii. Sú to najmä pozostatky po supernovách, rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy tzv. pulzary alebo aj samotné centrum našej Galaxie. Pozostatky po supernovách predstavujú zvyšky materiálu, ktorý zostal po explózii hmotnej hviezdy v podobe supernovy. Najznámejší a jeden z takýchto najviac študovaných objektov je Krabia hmlovina, v Messierovom katalógu s označením M1, nachádzajúca sa v súhvezdí Býk. Je štandardizovaným zdrojom predstavujúcim tzv. štandardnú sviečku v astronómii v oblasti gama.
Ďalšou veľkou skupinou zdrojov sú extragalaktické zdroje, teda zdroje mimo našej Galaxie. Sem patria najmä veľmi hmotné aktívne centrá galaxií alebo galaxie s aktívnou hviezdotvorbou. Špecifickú skupinu predstavujú tzv. záblesky gama žiarenia. Ide o intenzívne záblesky žiarenia s krátkym trvaním od zlomkov sekundy až po hodiny.
Prvýkrát boli detegované v 60. rokoch 20. storočia sústavou amerických satelitov Vela. Tieto satelity boli určené na detekciu gama žiarenia v zemskej atmosfére. V období studenej vojny mali strážiť zákaz skúšok jadrových zbraní v atmosfére. Satelity začali detegovať gama žiarenie a sprvu sa nevedelo odkiaľ pochádza. Až neskôr sa ukázalo, že jeho pôvod je mimo zemskej atmosféry.
Mgr. Patrik Čechvala
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Táto práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-18-0103, grantom Erasmus+ programu Európskej únie s číslom 2020-1-CZ01-KA203-078200 a Národným štipendijným programom Slovenskej republiky.
