Fuzja we Wszechświecie: rozbłyski promieniowania gamma

Tłumaczenie Grzegorz Glubowski

Publikowane za zgodą ESO

Henri Boffin z ESOw1 w Garching, Niemcy, wyjawia tajemnice rozbłysków promieniowania gamma, od czasu ich odkrycia po ostatnie osiągnięcia badań nad tymi potężnymi na skalę astronomiczną eksplozjami.

Wszystko zaczęło się tak, jak w filmie z James’em Bond’em. W latach 60-tych, latach zimnej wojny, Stany Zjednoczone wystrzeliły serię satelitów rejestrujących promieniowanie gamma, chcąc monitorować stan przestrzegania przez Związek Radziecki traktatu zakazującego testów nuklearnych [Nuclear Test Ban Treaty], który to traktat zakazywał testów nuklearnych w atmosferze, pod wodą oraz w przestrzeni. Nie wykryto, na szczęście, żadnych eksplozji w ziemskiej atmosferze.

Zamiast tego, zauważono tajemnicze rozbłyski promieniowania gamma, które jak się okazało nadchodziły z kosmosu, tak jakby – jak to później opisano w prasie bulwarowej – obcy toczyli międzygalaktyczną wojnę! Ponieważ owych kilku naukowców, którzy mieli dostęp do (wojskowych) danych, chciało wyjaśnić wszelkie szczegóły, ujawniono społeczności naukowej odkrycie tych zagadkowych wybuchów jeszcze przed rokiem 1973, sześć lat po ich pierwszej detekcji. Niestety, pierwsze detektory promieniowania gamma nie były w stanie nazbyt dokładnie zlokalizować na niebie źródła owego promieniowania, co poskutkowało długotrwałymi kontrowersjami dotyczącymi jego pochodzenia.

Przyrząd o nazwie GROND w obserwatorium La Silla, przeznaczony do badania rozbłysków promieniowania gamma Publikowane za zgodą ESO

Latarka czy latarnia morska?

Naukowcy nie tylko nie potrafili określić kierunku, z którego nadchodziły rozbłyski, ale również z jakiej odległości. Czy miały zatem swoje źródło w naszym sąsiedztwie – w Systemie Słonecznym lub naszej galaktyce – czy też o wiele dalej? Bez znajomości odległości, nie można było także określić skali tych zdarzeń: czy były to po prostu „iskry” z powierzchni komet opadających na kompaktowe gwiazdy, czy też gigantyczne wybuchy stwarzające wyzwanie dla naszej wiedzy? Sytuacja przypominała tą, w której jakaś osoba spacerująca nocą widzi w oddali światło: czy jest to światło latarki trzymanej przez kogoś po drugiej stronie ulicy, czy światła daleko stojącego samochodu, czy może uspokajający sygnał z odległej latarni morskiej?

Astronomowie puścili wodzy wyobraźni. W pewnym momencie było około setki teorii wyjaśniających nowy fenomen – więcej niż ilość zaobserwowanych przypadków! Jak to zwykle bywa, postęp uczyniono dopiero gdy pojawiły się nowe technologie, w szczególności po wystrzeleniu kolejnych satelitów naukowych przeznaczonych do badania promieniowania gamma.

Przyrząd o nazwie BATSE z Obserwatorium Promieniowania Gamma NASA [the NASA Compton Gamma Ray Observatory] ujawnił, że średnio pojawiają się codziennie dwa lub trzy rozbłyski gamma w jakimś miejscu we Wszechświecie. BATSE pokazał również, że rozbłyski są dostrzegane we wszystkich kierunkach. Wydawało się to pozostawać w sprzeczności z ówczesnym poglądem, głoszącym że pojawiają się one wyłącznie w galaktyce Drogi Mlecznej, gdyż w takim przypadku widoczny był by charakterystyczny spłaszczony ich rozkład. To dlatego, że nasza galaktyka jest silnie spłaszczonym dyskiem gwiezdnym, jak wskazuje na to ogląd Drogi Mlecznej jako takiej - pasek gwiazd w poprzek całego nocnego nieba.

Chociaż posiadały istotne znaczenie, obserwacje te nie rozstrzygnęły debaty i pod koniec lat 1980-tych, astronomowie pozostawali podzieleni na dwa antagonistycznie nastawione obozy. Pierwszy z nich gromadził przekonanych, że rozbłyski gamma towarzyszyły „lokalnym zdarzeniom” – takim jak na przykład spadaniu komet na gwiazdy neutronowe – i były przez nich lokowane w halo otaczającym naszą galaktykę. Druga grupa lekceważyła tą hipotezę i utrzymywała, że rozbłyski promieniowania gamma mają charakter dramatyczny, że należy je łączyć ze śmiercią gwiazd i narodzinami czarnych dziur oraz, że mają miejsce wszędzie we Wszechświecie.

Spór trwał do czasu wystrzelenia w 1996 roku, włosko-holenderskiego satelity BeppoSAX^w2, w którym zastosowano kombinację kamer rentgenowskich i detektorów promieniowania gamma w celu wykazania, że rozbłyski gamma pojawiają się w bardzo odległych galaktykach. Od tego czasu, najbardziej odległy rozbłysk gamma zaobserwowano w odległości większej niż 12.8 miliardów lat świetlnych, co oznacza, że pojawił się, gdy Wszechświat miał mniej niż 900 milionów lat^w3.

Najpotężniejsze zjawiska od Wielkiego Wybuchu

Ponieważ rozbłyski gamma obserwuje się z Ziemi, musi towarzyszyć im uwalnianie przeogromnych ilości energii. Sądzi się, że ilość energii uwalnianej podczas trwającego kilka sekund rozbłysku jest większa niż energia, którą Słońce uwolni podczas całego swojego życia (około 10000 milionów lat). Innymi słowami, zjawiska te są tak jaskrawe, że przez chwilę niemal zupełnie przyćmiewają blask całego Wszechświata! Jednakże trwają krótko, od mniej niż jednej sekundy do kilku minut.

Poza samym Big Bang’iem, rozbłyski gamma są jak dotychczas najpotężniejszymi znanymi zjawiskami we Wszechświecie. Astronomowie są również
w stanie stwierdzić, że eksplozje te zakłócają olbrzymi obszar wokół siebie – w jednym przypadku około 5 500 lat świetlnych, co stanowi więcej niż jedną piątą odległości między Słońcem a centrum naszej galaktyki. Cała materia w tak wielkim rejonie przestrzeni zostaje zjonizowana co oznacza, że atomy zostają pozbawione większości, o ile nie wszystkich swoich elektronów. Jeżeli istniałoby jakiekolwiek życie w takim rejonie Wszechświata, najprawdopodobniej zostałoby ono uśmiercone i całkowicie „wykorzenione”. Niektórzy naukowcy utrzymują, że utrata masy, która miała miejsce około 450 milionów lat temu w paleozoiku, gdy wyginęło około 70% wszystkich stworzeń na Ziemi, był spowodowany przez nieodległy rozbłysk promieniowania gamma.

Rozbłyski gamma są w takim razie niesamowitymi zdarzeniami, siejącymi spustoszenie w swoich galaktykach i uwalniającymi niewiarygodnie duże ilości energii. Pytanie brzmiało rzecz jasna, co wywołuje te zjawiska. Jako że formowanie czarnej dziury jest zdarzeniem o niezwykle potężnej skali, astronomowie zaczęli badać, czy te dwa zjawiska – rozbłyski promieniowania gamma i czarne dziury – mogłyby być traktowane łącznie.

Choć nadal szczegóły nie są dostatecznie wyjaśnione, naukowcy wierzą obecnie, że najlepiej istotę rozbłysków gamma wyjaśnia model ognistej kuli [fireball]. W tym modelu, podczas powstawania czarnej dziury, uwolniona w wyniku eksplozji energia jest magazynowana w formie energii kinetycznej powłoki cząsteczek – ognistej kuli – rozszerzającej się z szybkością bliską szybkości światła. Początkowa gęstość eksplodującego materiału jest na tyle wielka, że nawet fotony i neutrina nie mogą sięz niej wydostać. Gdy ognista kula rozszerzy się do średnicy rzędu 10 – 100 miliardów kilometrów, gęstość fotonów spada wystarczająco by promieniowanie gamma wydostawało się bez przeszkód: pewna część energii kinetycznej ognistej kuli jest przekształcana w promieniowanie elektromagnetyczne, uwalniane również podczas rozbłysku.

Długie i krótkie

Liczne już obserwacje rozbłysków gamma wykazały, że pojawiają się głównie dwa ich rodzaje: długotrwałe (trwające dłużej niż dwie sekundy) oraz krótkotrwałe (trwające od kilku milisekund do dwóch sekund). Różnica między nimi leży nie tylko w czasie ich trwania. Krótkotrwałym rozbłyskom towarzyszą fotony o wyższej energii niż rozbłyskom długotrwałym. W szczególności, pomimo że obydwa rodzaje rozbłysków są kojarzone z czarnymi dziurami, to ich fizyczne pochodzenie jest odmienne.

W ostatnich latach, w rezultacie dużego, międzynarodowego wysiłku, wykazano
w sposób przekonujący, że długotrwałe rozbłyski promieniowania gamma należy łączyć z największymi eksplozjami masywnych gwiazd (hipernowe), o masach początkowych 30 –40 razy większych od masy Słońca, gdy te zapadają się w czarne dziury. Dowodów o kluczowym znaczeniu dostarczono przy wykorzystaniu teleskopów ESO w 2003^w4. Wykorzystując „ESO Very Large Telescope”^w5, astronomowie otrzymali po upływie miesiąca obrazy spektralne zanikającej poświaty rozbłysku gamma. Umożliwiło im to obserwowanie procesu stopniowego powstawania spektrum charakterystycznego dla supernowej, ujawniającego wyjątkowo gwałtowną eksplozję gwiazdy.

Obserwacje krótkotrwałych rozbłysków promieniowania gamma w bardzo odległej galaktyce z pomocą VLT. Obraz po lewej, zarejestrowany 24 lipca 2005, 12 godzin po rozbłysku, ukazuje miejsce rozbłysku GRB 050724 określoną przez teleskop „Swift X-Ray” (XRT) oraz satelitę „Chandra X-ray”. Niebieski krzyż ukazuje położenie optycznej poświaty. Kolejny obraz zarejestrowano 29 lipca 2005 oraz po prawej obraz zredukowany, utworzony na podstawie innego. Ukazuje on istnienie poświaty, co wskazuje na pojawienie się rozbłysku gamma Publikowane za zgodą ESO

Kilka innych zaobserwowanych przypadków umożliwiło ostatecznie połączyć długotrwałe rozbłyski promieniowania gamma z hipernowymi. Jeden taki przypadek zdarzył się 11 grudnia 2001 roku i został zaobserwowany przez satelitę „ESA XMM-Newton”^w6, zaledwie jedenaście godzin po wykryciu rozbłysku. W owym czasie obiekt emitował siedem milionów razy więcej promieniowania rentgenowskiego aniżeli jakakolwiek galaktyka. Umożliwiło to zarejestrowanie szczegółowego spektrum rozbłysku, a w następstwie tego wykrycia śladów różnych pierwiastków, takich jak magnez, krzem czy nikiel, które typowo wyrzucane są przez eksplodującą gwiazdę (po więcej szczegółów dotyczących powstawania ciężkich metali zobacz Rebusco, Boffin & Pierce-Price, 2007). Astronomowie obserwowali zatem materię przed chwilą wyrzuconą przez supernową.

Łączenie się gwiazd

Co wiadomo o krótko trwających rozbłyskach gamma? Aż do niedawna, astronomowie nie byli w stanie zarejestrować ich poświaty. Dlatego było niemożliwe precyzyjne ich umiejscowienie, ani też wydedukowanie w jakim środowisku powstają, czy też scharakteryzowanie ich za pomocą krzywej jasności (zmian jasności w czasie) lub spektrum.

Zmiana nastąpiła 9 maja 2005, gdy to satelita NASA/ASI/PPARC Swift”w7 zarejestrował rozbłysk gamma trwający 40 milisekund i zlokalizował go z wystarczającą precyzją by astronomowie mogli skierować w tamten rejon „ESO’s Very Large Telescope” i pobrać obrazy. Jak się okazało rozbłysk, nazwany GRB 050509B, pojawił się w jasnej, nie formującej gwiazd galaktyce eliptycznej znajdującej się 2700 milionów lat świetlnych stąd. Nie można było posłużyć się modelem hipernowej, ponieważ zapadanie się jądra supernowej jest mało prawdopodobne w galaktyce, w której nie powstają już nowe gwiazdy i dlatego generalnie pozbawionej krótko żyjących masywnych gwiazd, które mogłyby przekształcić się w hipernowe. Z drugiej strony, jasne, nie tworzące gwiazd galaktyki eliptyczne zawierają wiele układów podwójnych (dwie gwiazdy orbitujące blisko siebie) utworzonych z gwiazd kompaktowych. Wyjaśnienia należy upatrywać zatem w drugim z modeli, zgodnie z którym rozbłyski promieniowania gamma pojawią się gdy dwie gwiazdy neutronowe układu podwójnego łączą się formując czarną dziurę. Chcąc upewnić się, że należy wykluczyć model hipernowej, astronomowie obserwowali rozbłysk przez kolejne trzy tygodnie, do czasu nabrania przekonania, że nie rejestrują nawet najmniejszej supernowej.

Krzywa jasności rozbłysku gamma z 7 czerwca 2006, GRB 060607A. Czerwone punkty przedstawiają dane otrzymane w obserwatorium La Silla podczas obserwacji poświaty rozbłysku (w bliskiej podczerwieni). Linia niebieska, dołączona do danych, umożliwia astronomom wyznaczenie maksimum krzywej jasności oraz określenie szybkości materii. Odkryto, że materia porusza się z szybkością zbliżoną do szybkości światła Publikowane za zgodą ESO

Kilka miesięcy później, astronomowie po raz pierwszy zarejestrowali optyczną poświatę krótkotrwałego rozbłysku gamma. Obrazy otrzymane w obserwatorium ESO La Silla w Chile ukazały zanikające jej źródło na krawędzi galaktyki.

Obserwowano ten rozbłysk, nazwany GRB 050709, przez 20 dni i nie stwierdzono obecności jakichkolwiek oznak charakterystycznych dla supernowej. Daje to kolejny przyczynek dla hipotezy, że krótkotrwałe rozbłyski gamma występują nie jako skutek pojawienia się hipernowej lecz wtedy, gdy dwie bliskie siebie gwiazdy łączą się formując czarną dziurę.

Model scalania: sądzi się, że krótkotrwałe rozbłyski gamma powstają gdy dwa małe obiekty (gwiazdy neutronowe lub czarne dziury) łączą się w jedną czarną dziurę Publikowane za zgodą ESO

W modelu scalania (zobacz rysunek), dwie masywne gwiazdy orbitujące wokół siebie spalają swoje paliwo w ciągu około 100 milionów lat i zapadają się tworząc gęste gwiazdy neutronowe o średnicy około 10 – 20 kilometrów. Przez kolejne 100 milionów, do kilku miliardów lat, obydwa obiekty nadal krążąc wokół siebie tracą energię i podczas gdy to się dzieje ich orbity kurczą się. W końcu zderzają się, czemu towarzyszy krótkotrwały rozbłysk gamma.

Ta teoria sprawdza się również wtedy, gdy jedna z nich przekształca się w czarną dziurę zamiast w gwiazdę neutronową, która ostatecznie pożera partnerującą sobie gwiazdę neutronową.

Czterdzieści lat po tym jak rozbłyski gamma zostały odkryte wiemy, że pojawiają się one wszędzie we Wszechświecie, od najdalszych zakątków do sąsiednich galaktyk. Potrafimy również wyjaśnić dwa najpowszechniejsze ich rodzaje. Jednak przyroda jest bardziej skomplikowana niż nam się wydaje: wraz z rozwojem technik obserwacyjnych, astronomowie wciąż odkrywają nowe rodzaje rozbłysków promieniowania gamma i w związku z tym ta historia daleka jest jeszcze od swojego zakończenia.

Referencje

Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion

Zasoby informacji w sieci

w1 – ESO, the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere: www.eso.org

w2 – BeppoSAX: www.asdc.asi.it/bepposax/

w3 – Star Death Beacon at the Edge of the Universe (ESO press release): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2005/pr-22-05.html

w4 – Cosmological Gamma-Ray Bursts and Hypernovae Conclusively Linked (ESO press release): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2003/pr-16-03.html

w5 – To learn more about ESO’s Very Large Telescope, see www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/paranal.html

or Pierce-Price D (2006) Running one of the world’s largest telescopes. Science in School 1: 56-60. www.scienceinschool.org/2006/issue1/telescope

w6 – XMM-Newton: http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23

w7 – The NASA Swift homepage: http://swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html

Źródła

Więcej na temat supernowych, zobacz:

Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusion in the Universe: when a giant star dies... Science in School 6: 64-68. www.scienceinschool.org/2007/issue6/fusion

GCN, the Gamma-ray bursts Coordinates Network: http://gcn.gsfc.nasa.gov/