Nova uganka o najmočnejših eksplozijah v vesolju

Četrtek, 08 Maj 2014
natisni

V današnji številki revije Nature je objavljen članek mednarodne skupine astrofizikov, med katerimi je tudi dr. Andreja Gomboc s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, v katerem poročajo o novih meritvah, ki zahtevajo prevetritev obstoječih modelov za opis izbruhov sevanja gama.

 

O izbruhih sevanja gama smo na Portalu v vesolje že večkrat pisali (tukajtukajtukaj, tukaj , tukaj in tukaj), saj gre za zelo zanimive dogodke: so najmočnejše znane eksplozije v vesolju in jih lahko detektiramo tudi, če se zgodijo v zelo oddaljenih delih vesolja. Ker svetloba potuje s končno hitrostjo, to pomeni, da lahko vidimo izbruhe sevanja gama, ki so se zgodili v zelo davni preteklosti, ko je bilo vesolje veliko mlajše, kot je danes. Zato nam lahko služijo kot kozmološke sonde za odkrivanje lastnosti galaksij in zvezd v zgodnjem in starejšem vesolju, njihova svetloba pa nosi tudi podpis vse snovi (medzvezdnega plina in prahu ter medgalaktičnega plina) skozi katero je šla na poti do nas. Za astrofiziko so pomembni tudi za razumevanje končnih stanj v razvoju masivnih zvezd, za širšo fiziko pa so zanimivi kot laboratoriji za ultrarelativistične eksplozije, ki izvirajo iz območij z zelo močnim gravitacijskim in magnetnim poljem - omogočajo proučevanje fizikalnih zakonov v tako ekstremnih pogojih, kakršnih še zdaleč ne moremo ustvariti v laboratorijih na Zemlji.

Izbruhi sevanja gama (angl. Gamma Ray Burst - GRB) se kot nenapovedljivi bliski gama svetlobe pojavijo približno enkrat na dan v naključnih smereh neba, presvetlijo vse ostale izvore sevanja gama na nebu (ste vedeli, da tudi Luna 'sveti' v gama svetlobi?) in običajno po nekaj sekundah ali minutah ugasnejo. Ker Zemljino ozračje sevanja gama ne prepušča, so bili odkriti šele v dobi satelitov, konec 1960.-tih. 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. Le ti karseda hitro opazujejo kraj izbruha in približno v polovici primerov astronomi opazijo na istem mestu tudi izvor vidne svetlobe, ki mu pravimo optični zasij (angl. afterglow), ki tipično po nekaj urah ali dnevih ugasne. Prvih 30 let po odkritju so bili izbruhi sevanja gama popolna neznanka, saj ni bilo znano niti ali se dogajajo v naši Galaksiji ali izven 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 obstajata vsaj dve vrsti: ena nastane ob zlitju dveh gostih ostankov zvezd (dveh nevtronskih zvezd ali črnih lukenj), druga vrsta pa nastane ob kolapsu sredice masivne, hitro vrteče se zvezde v črno luknjo ali magnetar (nevtronsko zvezdo z zelo močnim magnetnim poljem). To pripelje do najbolj silovitih eksplozij po prapoku, v katerih se lahko v nekaj sekundah sprosti toliko energije, kot je bo Sonce oddalo v več milijonih ali milijardah let.

 

Slika 1: Ilustracija izbruha sevanja gama. Zlitje dveh gostih ostankov zvezd, nevtronskih zvezd ali črnih lukenj, (compact merger) proizvede kratke izbruhe sevanja gama (krajše od 2 s), kolaps sredice masivne zvezde (collapsar) pa dolge izbruhe sevanja gama (daljše od 2 s). V obeh primerih nastane v središču črna luknja ali magnetar in dva nasprotno usmerjena curka plazme, v katerima nastanejo udarni valovi in svetloba različnih valovnih dolžin: od sevanja gama do radijske svetlobe. Vir: Gomboc 2012.

 

Teoretični model, ki opisuje nastanek izbruhov sevanja gama, 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% svetlobne hitrosti nadaljujeta pot v okoliški prostor. Podobno naj bi dva nasprotna curka nastala ob zlitju dveh nevtronskih zvezd in/ali črnih lukenj (slika 1). V curkih so plasti oz. lupine z nekoliko različnimi hitrostmi, ki se med seboj dohitevajo in trkajo, v nastalih notranjih udarnih valovih pa elektroni preko Fermijevega pospeševanja dosežejo praktično svetlobne hitrosti. Ker so v plazmi prisotna tudi magnetna polja (bodisi lokalna, neurejena polja ali urejena globalna polja, povezana s centralno črno luknjo ali magnetarjem), elektronisinhrotronsko sevajo visokoenergijsko svetlobo, ki jo vidimo kot izbruh sevanja gama. Nekoliko kasneje, 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 - le to vidimo kot rentgenski, optični in radijski zasij.

Od izstrelitve satelita Swift pred slabim desetletjem do danes je razumevanje izbruhov sevanja gama zelo napredovalo. A kakor se pogosto zgodi, lahko več podatkov pomeni tudi več odprtih vprašanj, saj se nekatere preproste razlage izkažejo kot nezadostne in ker narastejo želje po vedno globjem razumevanju proučevanega pojava. Pri izbruhih sevanja gama je med ključnimi odprtimi 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 obnašanje svetlobnih krivulj. Razlikujejo pa se v napovedih stopnje linearne polarizacije svetlobe (v kolikšnem deležu svetlobe električno polje niha v neki določeni smeri), ki bi jo naj imeli optični zasiji zelo zgodaj po izbruhu. 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. Prva je bila objavljena leta 2007, pred kratkim pa smo poročali o izbruhu GRB 120308A, pri katerem je skupina tudi-slovenskih astronomov s teleskopom Liverpool izmerila do sedaj najvišjo stopnjo optične linearne polarizacije in njeno spreminjanje s časom. Ti rezultati so pokazali, da v izbruhih sevanja gama obstaja močno, dolgoživo in globalno urejeno magnetno polje in so s tem pomembno prispevali k interpretaciji fizike teh objektov.

 

Slika 2: Zelo velik teleskop (Very Large Telescope - VLT) na observatoriju Paranal v Čilu. Vir: ESO

 

Drugo ključno odprto vprašanje je, kateri mehanizmi so odgovorni za pospeševanje elektronov in nastanek svetlobe. Do presenetljivih rezultatov je nedavno prišla mednarodna skupina astrofizikov, med katerimi je tudi dr. Andreja Gomboc. Prvič doslej so na primeru izbruha GRB 121024A, ki je oddaljen skoraj 11 milijard svetlobnih let, izmerili cirkularno polarizacijo nekega optičnega zasija. V danes objavljenem članku v reviji Nature poročajo o meritvah z instrumentom FORS2 na 8-metrskem Zelo velikem teleskopu (Very Large Telescope) (slika 2) Evropskega južnega observatorija ESO v Čilu. Medtem ko obstoječi 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. Ta skupina pa je 24. oktobra 2012 slabe tri ure po detekciji minuto dolgega izbruha sevanja gama s satelitom Swift pričela z meritvami. 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 so, da je stopnja linearne polarizacije zasija okrog 4%, stopnja cirkularne polarizacije pa 0,6%. Čeprav se to morda sliši malo, je nekaj velikostnih redov višje od teoretičnih napovedi. Preverili so, ali bi lahko cirkularna polarizacija nastala zaradi sipanja svetlobe na delcih medzvezdnega prahu ali efektov plazme na sevanje in izključili obe možnosti. Zaključili so, da je cirkularna polarizacija intrinzična in da obstoječi teoretični modeli potrebujejo znatno prevetritev: možno je, da se energija curkov ne prenaša v okoliško medzvezdno snov tako učinkovito, kot so znanstveniki mislili doslej, in da za opis pospeševanja elektronov potrebujejo bolj dovršene modele.

 

Slika 3: Del neba, kjer se je zgodil izbruh GRB 121024A. Puščica na levi sliki, posneti 2,6 ur po izbruhu z Zelo velikim teleskopom, kaže na optični zasij. Desna slika je bila posneta kasneje, ko je zasij že ugasnil, puščica na njej kaže na galaksijo, v kateri se je zgodil izbruh. Vir: Nature

 

Slika 4: Primerjava stopnje optične cirkularne in linearne polarizacije kvazarjev in zasija izbruha sevanja gama GRB 121024A (rumeni diamantni simbol). GRB 121024A ima najvišjo detektirano vrednost cirkularne polarizacije in je tudi najbolj oddaljeni objekt, za katerega je bila le-ta izmerjena. Vir: Nature

 

Viri:

Nature

Povzeto po prispevku v Delo Znanost in intervjuju za Tromba.si

Drugi linki: SEN, astronomy.com, ScienceDaily, Liverpool JMU, Univerza v Ljubljani