Še ena uganka o najmočnejših eksplozijah v vesolju

Astrofizika -  Nove meritve, ki zahtevajo prevetritev modelov za opis izbruhov sevanja gama.

Objavljeno
09. maj 2014 20.22
Andreja Gomboc
Andreja Gomboc

V zadnjii številki revije Nature je objavljen članek mednarodne skupine astrofizikov, med katerimi sem tudi podpisana. V njem poročamo o novih meritvah, ki zahtevajo spremembo modelov za opis najmočnejših eksplozij v vesolju.

Približno enkrat na dan se v naključnih smereh neba pojavijo nenapovedljivi bliski gama svetlobe, ki presvetlijo vse druge izvore sevanja gama na nebu in običajno po nekaj sekundah ali minutah ugasnejo. Ker Zemljino ozračje sevanja gama ne prepušča, so bili ti izbruhi sevanja gama (angl. Gamma Ray Burst – GRB) odkriti šele v dobi satelitov, konec 60. let preteklega stoletja. Danes je najpomembnejši satelit za njihovo opazovanje Nasin satelit Swift, ki po detekciji izbruha v manj kot minuti natančno določi njegovo lokacijo na nebu in jo sporoči teleskopom na Zemlji. Z njimi kar se da hitro opazujemo kraj izbruha in približno v polovici primerov opazimo na istem mestu tudi izvor vidne svetlobe, ki mu pravimo optični zasij (angl. afterglow), ki tipično po nekaj urah ali dnevih ugasne.

Popolna neznanka

Prvih 30 let po odkritju so bili izbruhi sevanja gama popolna neznanka, saj ni bilo znano niti, ali se dogajajo v naši Galaksiji ali zunaj nje. Po letu 1997, ko so bili odkriti prvi zasiji, pa so znanstveniki z njihovo pomočjo ugotovili, da se izbruhi dogajajo v drugih galaksijah in da večina tistih, ki jih detektiramo, nastane ob kolapsu sredice masivne, hitro vrteče se zvezde v črno luknjo ali magnetar (nevtronsko zvezdo z zelo močnim magnetnim poljem). To privede do najbolj silovitih eksplozij po prapoku, v katerih se v nekaj sekundah lahko sprosti toliko energije, kot je bo Sonce oddalo v več milijonih ali milijardah let.

Teoretični model, ki opisuje njihov nastanek, pravi, da energija, ki se sprosti ob kolapsu sredice zvezde, požene iz nje dva nasprotno usmerjena curka visokoenergijske plazme, ki prevrtata ovojnico zvezde in z več kot 99,99 odstotka svetlobne hitrosti nadaljujeta pot v okoliški prostor. V curkih so plasti oziroma lupine z nekoliko različnimi hitrostmi, ki se med seboj dohitevajo in trkajo, v nastalih notranjih udarnih valovih pa elektroni prek Fermijevega pospeševanja dosežejo praktično svetlobne hitrosti. Ker so v plazmi navzoča tudi magnetna polja (bodisi lokalna, neurejena polja ali urejena globalna polja, povezana s centralno črno luknjo ali magnetarjem), elektroni sinhrotronsko sevajo visokoenergijsko svetlobo, ki jo vidimo kot izbruh sevanja gama. Nekoliko pozneje, ko se curka plazme zaletita v okoliško medzvezdno snov, nastanejo zunanji udarni valovi, elektroni pospešeni v njih pa imajo nižje energije in oddajajo sinhrotronsko svetlobo daljših valovnih dolžin – to pa vidimo kot rentgenski, optični in radijski zasij.

Novi podatki – nova vprašanja

Od izstrelitve satelita Swift pred slabim desetletjem do danes je razumevanje izbruhov sevanja gama zelo napredovalo. A kakor se pogosto zgodi, več podatkov lahko pomeni tudi več nerešenih vprašanj, saj se nekatere preproste razlage izkažejo kot nezadostne, in ker se povečajo naše želje po vse globljem razumevanju proučevanega pojava. Pri izbruhih sevanja gama je med ključnimi nerešenimi vprašanji vloga magnetnega polja: ali magnetno polje nastane lokalno v plazmi, v magneto-hidrodinamskih nestabilnostih v curku ali pa obstaja izvorno magnetno polje, ki izvira v centralnem objektu in ga navzven nosi gibajoči se tok snovi.

Vloge magnetnega polja ni mogoče ugotoviti samo s fotometričnimi opazovanji, ker različni teoretični modeli napovedujejo podobno vedenje svetlobnih krivulj. Razlikujejo pa se v napovedih stopnje linearne polarizacije svetlobe (v kolikšnem deležu svetlobe električno polje niha v neki določeni ravnini), zato so v iskanju odgovora ključne meritve linearne polarizacije zasija v nekaj minutah po detekciji izbruha, ki pa jih je zaradi tehnične zahtevnosti le peščica. Prvo smo objavili leta 2007 v reviji Science (Delo, 22. marca 2007), pred kratkim pa smo v članku v reviji Nature (Delo, 2. januarja 2014) poročali o izbruhu GRB 120308A, pri katerem smo s teleskopom Liverpool izmerili do zdaj najvišjo stopnjo optične linearne polarizacije in njeno spreminjanje s časom. Z našimi rezultati smo pokazali, da v izbruhih sevanja gama obstaja močno, dolgoživo in globalno urejeno magnetno polje in s tem pomembno pripomogli k interpretaciji fizike teh objektov.

Drugo ključno nerešeno vprašanje je, kateri mehanizmi so odgovorni za pospeševanje elektronov in nastanek svetlobe. Do presenetljivih rezultatov smo prišli pred kratkim z merjenjem cirkularne polarizacije optičnega zasija izbruha GRB 121024A, ki je oddaljen skoraj 11 milijard svetlobnih let. V danes objavljenem članku v reviji Nature (Wiersema et al. 2014) poročamo o meritvah, ki smo jih opravili z instrumentom FORS2 na osemmetrskem Zelo velikem teleskopu (Very Large Telescope) Evropskega južnega observatorija ESO v Čilu. Medtem ko sedanji teoretični modeli napovedujejo nizko stopnjo linearne polarizacije nekaj ur po izbruhu, napovedujejo tudi, da je stopnja cirkularne polarizacije (v kolikšnem deležu svetlobe se električno polje suka po vijačnici) nemerljivo nizka ali nič. Mnogi so zato menili, da ni vredno niti poskušati izvesti tehnično zahtevnih meritev. Mi pa smo 24. oktobra 2012 slabe tri ure po detekciji minuto dolgega izbruha sevanja gama s satelitom Swift začeli meritve. Zasij je bil takrat 20. magnitude, kar pomeni, da je bil 400.000-krat temnejši od zvezd, ki jih še lahko vidimo s prostimi očmi. Izmerili smo, da je stopnja linearne polarizacije zasija približno štiriodstotna, stopnja cirkularne polarizacije pa 0,6-odstotna. Čeprav se to morda sliši malo, je nekaj velikostnih redov višje od teoretičnih napovedi.

Skrbno smo preverili, ali bi lahko cirkularna polarizacija nastala zaradi sipanja svetlobe na delcih medzvezdnega prahu ali efektov plazme na sevanje in izključili obe možnosti. Zaključili smo, da je cirkularna polarizacija intrinzična in da sedanji teoretični modeli potrebujejo znatno prevetritev: možno je, da se energija curkov ne prenaša v okoliško medzvezdno snov tako učinkovito, kot smo menili doslej, in da za opis pospeševanja elektronov potrebujemo bolj dovršene modele.

Kot bonboniera

Poleg njih pa bomo za rešitev uganke morali podobne meritve ponoviti na večih primerih izbruhov. A z njimi je, kot bi rekla mama Forresta Gumpa: so kot bonboniera, nikoli ne veš, kaj boš dobil. V zadnjih letih nam je vesolje naklonilo nekaj izjemnih izbruhov. Izbruh GRB 080319B je bil tako močan, da bi lahko njegov optični zasij opazovali celo s prostimi očmi (če bi vedeli kdaj in kam v nebo pogledati), čeprav se je zgodil kar 7,5 milijarde svetlobnih let daleč (Delo, 11. septembra 2008). Pred nekaj meseci je veliko prahu dvignil izbruh GRB 130427A, za katerega smo ugotovili, da je bil, čeprav se je zgodil v relativno bližnjem vesolju in pred kratkim (pred »samo« 3,7 milijarde let), podoben izbruhom, ki so se zgodili bolj daleč, v mladem vesolju (Delo, 5. decembra 2013).

Tokratni članek pa kaže, da nas veliko naučijo tudi izbruhi, ki sicer po ničemer ne izstopajo, a nam uspe nekatere njihove skrivnosti razkriti s posebnimi in zahtevnimi meritvami – z znanjem, trudom in kančkom zemeljske sreče.

Dr. Andreja Gomboc Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani