Idea nowego mechanizmu, opublikowana przez prof. Tsvi Pirana z Uniwersytetu Hebrajskiego i współpracujących z nim badaczy, narodziła się po rozbłysku zaobserwowanym w styczniu zeszłego roku. Praca opisuje, w jaki sposób strumień cząstek poruszających się w naszym kierunku z prędkością bliską prędkości światła jest w stanie emitować promieniowanie gamma.
Błyski gamma, krótkie i intensywne porcje energii dochodzące do nas z kosmosu, są najjaśniejszymi eksplozjami obserwowanymi we Wszechświecie. Promieniowanie gamma jest blokowane przez ziemską atmosferę, przez co błyski te zostały przypadkowo odkryte dopiero pod koniec lat sześćdziesiątych – przez satelity wojskowe Vela, wysłane na orbitę celem monitorowania ewentualnych wybuchów jądrowych wywoływanych przez człowieka na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej.
Od tej chwili błyski gamma były w centrum uwagi naukowców, a kilka nowych wyspecjalizowanych satelitów naukowych szybko wysłano w kosmos w celu zbadania ich natury i pochodzenia. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych uświadomiono sobie, że podczas śmierci i kolapsu grawitacyjnego masywnych gwiazd powstają długie rozbłyski energii, trwające ponad kilka sekund, natomiast w pierwszej dekadzie obecnego stulecia stwierdzono, że najprawdopodobniej krótsze wybuchy (trwające mniej niż kilka sekund) generowane są na skutek łączenia się ze sobą gwiazd neutronowych. Ta ostatnia hipoteza doczekała się zresztą potwierdzenia przed dwoma laty, przy okazji jednoczesnych obserwacjach fal grawitacyjnych przez detektory LIGO i Virgo oraz krótkiej serii błysków w wysokich energiach, dostrzeżonych przez satelity Fermi (NASA) i Integral (ESA).
Natura błysków gamma wciąż jednak jest bardzo tajemnicza. Szczególnie zastanawiające jest, w jaki sposób w kosmosie generuje się obserwowane przez nas promieniowanie wysokoenergetyczne.
W styczniu ubiegłego roku detektor promieniowania gamma na pokładzie satelity Neil Gehrels Swift wykrył błysk znany jako GRB 190114C – a w zasadzie jasną serię błysków gamma, która została wyemitowana mniej więcej 4,5 miliarda lat temu w odległej galaktyce. Po otrzymaniu sygnału o tej detekcji z satelity Swift, do obserwacji włączył się teleskop MAGIC, czyli detektor promieniowania Czerenkowa położony w Obserwatorium Roque de los Muchachos na hiszpańskiej wyspie La Palma.
Na zdjęciu: Pierwszy z teleskopów MAGIC. Źródło: Wikipedia.
Szybko zarejestrował on fotony o bardzo wysokiej energii (rzędu TeV) dochodzące z mniej więcej tego samego miejsca na niebie. Fotony te zaobserwowano w około 50 sekund po tak zwanej „szybkiej” emisji (ang. prompt emission), czyli w fazie poświatowej rozbłysku gamma. Ale miały one energie co najmniej 10 razy większe w porównaniu ze wszystkimi fotonami o największych energiach, jakie kiedykolwiek widziano w przypadku błysków gamma.
Na dziś dzień opublikowano jedynie wstępne dane z obserwacji MAGIC. Mimo to prof. Evgeny Derishev z Institute for Applied Physics w Niżnym Nowogrodzie i prof. Tsvi Piran z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie już teraz połączyli te dane z obserwacjami fotonów o niższych energiach w zakresie rentgenowskim, pochodzącymi z satelity Swift. Naukowcy dowodzą w artykule, że obserwowane promieniowanie gamma musiało powstać w strumieniu plazmy (dżecie) poruszającym się z prędkością 0,9999 prędkości światła w naszym kierunku. Promieniowanie wysokoenergetyczne obserwowane przez MAGIC było zatem według nich wyemitowane przez elektrony przyspieszane do energii rzędu teraelektronowoltów (TeV) w takim strumieniu cząstek.
Według autorów publikacji można również zidentyfikować sam proces odpowiedzialny za ich emisję: jest to tak zwany odwrotny efekt Comptona, w którym elektrony o bardzo wysokiej energii zderzają się z wolniejszymi fotonami o niskiej energii i zwiększają przez to energie tych fotonów. Co ciekawe, te same relatywistyczne elektrony wytwarzają również fotony o niższych energiach za sprawą promieniowania synchrotronowego.
W przypadku badań nad rozbłyskami gamma odkryto prawdziwy Kamień z Rosetty. – twierdzi prof. Piran. Te unikalne detekcje pozwalają nam po raz pierwszy rozróżnić odmienne modele emisji i dowiedzieć się, jakie dokładnie warunki fizyczne panują podczas samego rozbłysku. Teraz rozumiemy też, dlaczego takiego promieniowania nie zaobserwowano w przeszłości. Przyszłe teleskopy Czerenkowa, takie jak planowany i tworzony obecnie międzynarodowy Cherenkov Telescope Array, będą znacznie wrażliwsze niż MAGIC. Ale już obecne detekcje dają nadzieję na to, że wykryjemy wiele innych takich zdarzeń w przyszłości, co rzuci nowe światło na tę kosmiczną tajemnicę.
Czytaj więcej:
- Publikacja „The Physical Conditions of the Afterglow Implied by MAGIC’s Sub-TeV Observations of GRB 190114C”, Evgeny Derishev & Tsvi Piran, 2019, „The Astrophysical Journal Letters”
- Strona Uniwersytetu Hebrajskiego
- Scientists one step closer to mimicking gamma-ray bursts
- Różnorodność rozbłysków gamma w trzech wymiarach
Źródło: The Hebrew University of Jerusalem
Na ilustracji: Wizualizacja dżetu plazmy wypływającego ze źródła rozbłysku gamma GRB 190114C. Źródło: Tanmoy Laskar/University of Bath.
