Wykryto rozbłyski gamma o rekordowych energiach

Najsilniejsze eksplozje we Wszechświecie – błyski gamma – wytwarzają jeszcze więcej promieniowania wysokoenergetycznego niż wcześniej sądzono. Dowodzą tego obserwacje prowadzone z udziałem wyspecjalizowanych teleskopów H.E.S.S. i MAGIC. Naukowcy zarejestrowali przy tym najbardziej energetyczny błysk gamma, jaki kiedykolwiek zmierzono. To także pierwsze detekcje rozbłysków gamma wykonane z udziałem naziemnych teleskopów.

Rozbłyski gamma (GRB) są nagłymi, krótkimi impulsami promieniowania gamma, które pojawiają się średnio raz dziennie gdzieś we widzialnym dla nas Wszechświecie. Zgodnie z obecną wiedzą powstają one przy zderzeniach gwiazd neutronowych lub podczas wybuchów supernowych – gigantycznych gwiazd zapadających się wówczas aż do postaci czarnej dziury. Błyski gamma są najpotężniejszymi eksplozjami we Wszechświecie i zwykle w ciągu zaledwie kilku sekund uwalniają więcej energii niż nasze Słońce podczas całego swojego życia. Zjawiska te odkryto przypadkiem pod koniec lat sześćdziesiątych.

Od tego czasu astronomowie badają rozbłyski gamma głównie z pomocą satelitów, ponieważ atmosfera Ziemi bardzo skutecznie pochłania promienie gamma. Opracowano też naziemne instrumenty obserwujące promieniowanie Czerenkowa, które kosmiczne promienie gamma indukują w naszej atmosferze, ale są one wrażliwe tylko na promienie gamma o bardzo wysokich energiach. Niestety, jasność błysków gamma spada gwałtownie wraz ze wzrostem ich energii. Teleskopy Czerenkowa zidentyfikowały więc wiele źródeł kosmicznych promieni gamma o bardzo wysokiej energii, ale żadnych rozbłysków gamma. Z drugiej strony satelity mają zbyt małe detektory, by wykrywać GRB o małej jasności, lecz o dużych energiach.

Naukowcy od wielu lat próbowali uchwycić rozbłysk promieniowania gamma za pomocą teleskopów Czerenkowa. Nagle – między latem 2018 roku a styczniem 2019 roku – dwa zespoły astronomów po raz pierwszy wykryły promieniowanie gamma pochodzące z dwóch niezależnych zdarzeń GRB – i dokonały tego z powierzchni Ziemi. 20 lipca 2018 roku z pomocą teleskopu H.E.S.S. zlokalizowanego w Namibii zaobserwowano słabą emisję po błysku gamma GRB 180720B. Z kolei 4 stycznia 2019 roku udało się uchwycić jasną, wczesną emisję z błysku GRB 190114C, przez teleskopy Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) wybudowane na hiszpańskiej wyspie La Palma.

Ale obie te ważne obserwacje były możliwe także – a nawet przede wszystkim – dzięki satelitom NASA obserwującym promieniowania gamma, które monitorują niebo pod kątem rozbłysków gamma i w razie ich zauważenia natychmiast wysyłają automatyczne alarmy do innych obserwatoriów promieniowania gamma na świecie.

MAGIC rejestruje promienie gamma o energiach z zakresu 200–1000 miliardów elektronowoltów (0,2–1 teraelektronowoltów). Są to zdecydowanie fotony o najwyższej energii, jakie kiedykolwiek odkryto w przypadku rozbłysku gamma – mówi Elisa Bernardini, szef grupy MAGIC w DESY. Dla porównania: światło widzialne mieści się w zakresie 1–3 elektronowoltów.

Właśnie tego rodzaju szybkie odkrycie pozwoliło na dalsze obserwacje. W rezultacie ponad dwadzieścia różnych teleskopów przyjrzało się swym celom jeszcze dokładniej. Umożliwiło to sprecyzowanie szczegółów mechanizmu fizycznego odpowiedzialnego za najwyższą jak dotąd widzianą emisję energii (co opisano w drugim artykule grupy MAGIC). Dalsze obserwacje wykazały, że źródło GRB 190114C jest od nas odległe o ponad cztery miliardy lat świetlnych. Oznacza to, że jego wysokoenergetyczne światło podróżowało do nas ponad cztery miliardy lat, czyli około jednej trzeciej obecnego wieku Wszechświata.

Z kolei źródło GRB 180720B, położone w odległości sześciu miliardów lat świetlnych stąd, można było wykryć w promieniach gamma przy energiach z zakresu 100–440 miliardów elektronowoltów, i to jeszcze długo po początkowym wybuchu. Zaskakujące jest to, że teleskopy H.E.S.S. obserwowały nadwyżkę w postaci 119 kwantów gamma pochodzącą z kierunku na ten rozbłysk gamma nawet ponad dziesięć godzin po pierwszym wybuchu.

Detekcja ta była nieoczekiwana, bowiem rozbłyski gamma szybko zanikają, pozostawiając po sobie poświatę, którą można zobaczyć na wielu długościach fali, od fal radiowych aż do promieni rentgenowskich, ale nigdy nie została ona dotąd wykryta na falach gamma o bardzo wysokich energiach – dodaje teoretyk z DESY, Andrew Taylor, który przyczynił się do opracowania danych zebranych przez instrumenty H.E.S.S. Ten sukces wynika zatem z naszej ulepszonej strategii monitorowania – koncentrujemy się również na obserwacjach prowadzonych już po rzeczywistym zapadnięciu się gwiazdy.

Wykrywanie rozbłysków gamma jest bardzo ważne dla astrofizyki wysokich energii. Wiedząc już, że GRB wytwarzają fotony o energiach miliard razy wyższych niż energie światła widzialnego, przekonujemy się teraz, że są też one w stanie skutecznie przyspieszać cząstki znajdujące się w obrębie wyrzutu wybuchu – mówi Konstancja Satalecka należąca do grupy naukowców koordynujących poszukiwaniem błysków GRB we współpracy z konsorcjum MAGIC. Co więcej, okazało się, że do tej pory ubyło już około połowy początkowej energii wykrytego błysku gamma. Nasze pomiary pokazują, że energia uwalniana w najwyższych energiach przy błyskach gamma jest porównywalna z ilością wypromieniowaną przez nie na wszystkich niższych energiach razem wziętych. To niezwykłe!

Dużym wyzwaniem jest wciąż wyjaśnienie, jak powstają te bardzo wysokoenergetyczne błyski gamma. Obie grupy badawcze zakładają, że jest to dwuetapowy proces: w kroku pierwszym szybkie i elektrycznie naładowane cząstki z obszaru wybuchu są odchylane w silnym polu magnetycznym i emitują wówczas tak zwane promieniowanie synchrotronowe. Jednak tylko w ekstremalnych warunkach fotony zostają uwolnione i mogą osiągnąć najwyższe, zaobserwowane teraz energie. Naukowcy rozważają więc zamiast tego drugi krok przyśpieszania, w którym fotony synchrotronowe zderzają się z szybkimi cząsteczkami, które je wytworzyły, co zwiększa ich energie aż do zarejestrowanych bardzo wysokich energii gamma. Naukowcy nazywają też ten drugi krok odwrotnym rozpraszaniem Comptona.

Teleskopy MAGIC

Na zdjęciu: Teleskopy MAGIC o średnicy czaszy 17 metrów – La Palma. Źródło: IPA, Institute for Particle Physics and Astrophysics

Po raz pierwszy udało się zaobserwować z powierzchni Ziemi promieniowanie gamma pochodzące z rozbłysków gamma – podsumowuje Berge. Te dwie przełomowe obserwacje pokazują, że rozbłyski gamma mogą być źródłami obserwacyjnymi także dla naziemnych teleskopów gamma. W budowie znajduje się obecnie Teleskop Czerenkowa (CTA), obserwatorium promieniowania gamma nowej generacji. CTA ma składać się z ponad stu pojedynczych teleskopów trzech typów, które staną w dwóch lokalizacjach na półkuli północnej i południowej. DESY odpowiada za budowę teleskopów „pośredniego typu”. Spodziewamy się, że obserwacje z udziałem CTA rozpoczną się najwcześniej w roku 2023.

Konsorcjum H.E.S.S. zrzesza ponad 250 naukowców z 41 instytutów znajdujących się w 12 krajach. Konsorcjum MAGIC zrzesza 280 członków z 37 instytutów w 12 krajach. Grupa MAGIC w DESY jest finansowana przez grant Helmholtz Association for excellent women researchers.

błyski gamma

Na zdjęciu: Rozbłyski gamma mogą być zapoczątkowane przez wybuchy masywnych gwiazd – supernowych zapadających się do postaci czarnej dziury. Z jej otoczenia promieniują wówczas dwa silne, przeciwbieżne dżety energii, w których przyśpieszane są naładowane cząstki. Źródło: DESY, Science Communication Lab

Czytaj więcej: