»Pošast« iz vesolja, neobičajno blizu nas

Pri GRB, izbruhu sevanja gama, gre za zgodbo masivne zvezde, ki svojo življenjsko pot konča v velikem slogu, v izbruhu, ki utegne biti malodane podoben prvobitnemu velikemu poku. Zvezda, ki je sicer med milijardami zvezd neopazna, v trenutku svojega konca za hip zasije tako močno, da presvetli vse druge sevalce gama v vesolju.

Toda pri GRB 130427A je šlo za nekaj posebnega, za konec zvezde v naši, z veliko novinarske svobode opredeljeni relativni bližini, v eni od nam bližnjih galaksij. Ko je 27. aprila letos napočil njen zadnji trenutek, je zaradi te bližine izjemno svetel izbruh postal eden najbolje proučevanih do zdaj. Priskrbel je tako pomembne rezultate, da jim najnovejša številka revije Science namenja kar nekaj objav. Med avtorji so tudi raziskovalci astronomske skupine na ljubljanski fakulteti za matematiko in fiziko, in sicer doc. dr. Andreja Gomboc, zaposlena še na centru odličnosti Vesolje, dr. Drejc Kopač in Jure Japelj.

Kaj se je konec aprila v vesolju nad nami pravzaprav zgodilo in kaj nam je to razkrilo, v pogovoru za Znanost pojasnjuje doc. dr. Andreja Gomboc. A najprej beseda o tem, kaj so sploh GRB oziroma izbruhi sevanja gama. Gre za najmočnejše znane eksplozije v vesolju po prapoku. Večina je povezana s smrtjo zvezd, ki imajo veliko maso (nekaj desetkrat večjo od mase Sonca) in se verjetno tudi hitro vrtijo. Ko taka zvezda porabi svoje jedrsko gorivo, se njeno jedro sesede v črno luknjo, sproščena energija pa v določenih pogojih požene iz središča zvezde dva nasprotno usmerjena curka snovi, ki »prevrtata« skozi zvezdo in se praktično s svetlobno hitrostjo širita v vesolje.

»V relativističnih udarnih valovih v teh curkih snovi – po najbolj splošno sprejetem modelu – nastane sevanje gama,« pojasnjuje dr. Gombočeva. »Če je eden od curkov usmerjen proti Zemlji, vidimo nastalo svetlobo kot izbruh sevanja gama, ki traja kratek čas, od nekaj sekund do pol ure, v primeru GRB 130427A pa je trajal kar 20 ur. Obenem ali pa kmalu po tem na istem mestu na nebu opazimo svetlobo z daljšimi valovnimi dolžinami: rentgensko, vidno, radijsko – tej svetlobi pravimo zasij in običajno ugaša nekaj dni ali tednov. Svetloba zasijev prihaja iz zunanjih udarnih valov, ki nastanejo, ko relativistični curek trči v snov, ki obdaja zvezdo; to je lahko medzvezdni plin ali pa zvezdni veter – snov, ki jo je v prejšnjih stopnjah razvoja oddala sama zvezda.«

Kaj se je letošnjega 27. aprila pravzaprav zgodilo?

Na kratko: zjutraj je Nasin satelit Fermi detektiral svetel izbruh sevanja gama iz vesolja, ki priča o tem, da je pred okrog 3,8 milijarde leti neka masivna zvezda končala svojo življenjsko pot v »velikem slogu«. Po zaslugi satelitov Fermi in Swift ter s teleskopi na površju Zemlje smo astronomi ta dogodek podrobno opazovali pri različnih valovnih dolžinah, od zelo kratkovalovne gamasvetlobe do vidne in radijske svetlobe, ter ugotovili, da je res izjemen.

Zakaj je ta dogodek poseben?

GRB 130427A – naj omenim, da je GRB okrajšava za izbruh sevanja gama, angleško Gamma Ray Burst, številka pa označuje datum detekcije – je izjemen v več pogledih. Je najsvetlejši izbruh v gamasvetlobi, ki je bil kadarkoli detektiran. To je deloma posledica tega, da je bil med izbruhi z največjo sproščeno energijo doslej in da se je zgodil razmeroma blizu nas. Po nekaterih ocenah se kaj takega zgodi le enkrat na sto let. Rekorder je bil tudi po trajanju: le redki izbruhi sevanja gama trajajo več kot 1000 sekund, pri tem izbruhu pa so detektirali sevanje gama iz njega kar 20 ur. Poleg tega je satelit Fermi zaznal iz njega prihajajoče zelo visokoenergijske fotone, enega tudi z energijo 95 GeV, kar je približno 40-milijardkrat več od energije fotonov vidne svetlobe in petkrat več od prejšnjega rekorda.

GRB 130427A je torej poseben, a hkrati običajen: velika večina izbruhov sevanja gama leži pri kozmološkem rdečem premiku z>1, kar pomeni, da je svetloba z njih potovala do nas več kot 8 milijard let. Med peščico izbruhov, ki so se zgodili v naši »soseščini«, na primer pri z<0,5, so bili doslej vsi le šibke različice svojih močnejših bratrancev v bolj oddaljenem vesolju. GRB 130427A pa je prvi bližnji (z=0,34) izbruh sevanja gama, ki se po moči lahko kosa z najmočnejšimi med njimi. Čeprav se je zgodil v relativno nedavnem vesolju, je podoben tistim, ki so se zgodili v bolj daljni preteklosti.

Ali bi ga bilo mogoče napovedati?

Izbruhov sevanja gama ne moremo napovedati. Zvezd v vesolju je ogromno, večine ne poznamo posamezno, ne poznamo podrobno njihovih lastnosti in stopnje razvoja, in tako ne moremo napovedati, kdaj bo katero razneslo in kako.

Kako pa vemo, da so izbruhi povezani s smrtjo zvezd?

Na to kažejo opazovanja zasijev izbruhov sevanja gama in njihovega okolja. Sodeč po opazovanju galaksij, v katerih se dogajajo ti izbruhi, se večinoma dogajajo v območjih z intenzivnim nastajanjem novih zvezd, kar namiguje na to, da so morda povezani s smrtjo masivnih zvezd. Zvezde z veliko maso živijo namreč le kratek čas, zgolj nekaj deset milijonov let, medtem ko bo na primer naše Sonce živelo okrog 10 milijard let. Medtem ko v njihovi okolici zvezde še vedno nastajajo, te zvezde že končajo svoje življenje, tako da se njihovo jedro sesede v črno luknjo, zunanje plasti pa raznese eksplozija supernove. Dogajanje ob izbruhu sevanja gama – kolaps jedra zvezde in eksplozija – je v nekaterih pogledih podobno kot pri eksploziji supernove. Res so opazovanja že pred več kot desetimi leti pokazala, da optični zasij nekaterih izbruhov sevanja gama kakšnih 10 do 20 dni po izbruhu dobi lastnosti supernove – njegov spekter postane termičen s širokimi spektralnimi črtami. Tako je bilo tudi pri GRB 130427A.

Beseda »pošast« je neobičajna v znanstvenem jeziku, a vendar ste jo uporabili v naslovu članka v reviji Science?

Res je. Razlog je to, da je bil omenjeni izbruh »pošastno« močan. Včasih damo zanimive naslove, ki naj bi z malo besedami povedali čim več.

Ali je bil razlog za jakost tega GRB naša bližina?

Izbruh je bil najsvetlejši na našem nebu doslej, ker je bil med najmočnejšimi, kar smo jih kdaj zaznali, poleg tega pa se je zgodil v naši bližini.

Ali bi se lahko zgodil še bližje, na primer v naši galaksiji?

To ni izključeno, vendar je po današnjem razumevanju verjetnost za to majhna. Opazovanja kažejo, da se v bližnjem vesolju večina izbruhov sevanja gama dogaja v majhnih, nepravilnih galaksijah, te pa so drugačne od naše.

Ali so utemeljene domneve, da je bilo množično izumrtje vrst na našem planetu pred 450 milijoni let posledica GRB v bližnjem delu naše galaksije?

To je bila hipoteza, ki pa, kolikor mi je znano, za zdaj ni podprta z močnimi dokazi.

Zakaj z Zemlje ne moremo videti GRB?

S površja Zemlje jih ne moremo videti, ker naše oči ne zaznavajo te vrste svetlobe, poleg tega pa naše ozračje ne prepušča gamasvetlobe iz vesolja – k sreči, saj bi lahko ta poškodovala naše celice in tudi celice drugih bitij in bi bila zelo škodljiva za življenje na Zemlji.

Kakšen je vaš prispevek pri pojasnjevanju tega izbruha?

V članku smo natančno modelirali opazovane zasije. Podrobno smo analizirali opazovanja satelita Swift, ki opazuje začetni izbruh v gamasvetlobi in zasije v rentgenski in ultravijolični svetlobi, in naša opazovanja optičnega zasija, ki smo jih opravili z največjimi robotskimi optičnimi teleskopi, to so Liverpool na Kanarskem otočju, Faulkes North na Havajih in Faulkes South v Avstraliji. Opazovanja s temi teleskopi izvajamo v sodelovanju s kolegi z liverpoolske univerze Johna Mooresa. Skupaj smo razvili poseben program opazovanj, ki nam omogoča, da se opazovanja začnejo samodejno že nekaj minut po detekciji izbruha na satelitu.

Kaj je glavna ugotovitev člankov?

Ker gre res za izjemen izbruh, so bili v reviji Science objavljeni kar štirje članki o njem. Dva analizirata lastnosti gamasvetlobe iz tega izbruha in pokažeta, da standardni fizikalni model, s katerim sicer opisujemo izbruhe, za ta dogodek ni dober. Po tem modelu naj bi gamasvetloba prihajala od elektronov, ki jih tako imenovano Fermijevo pospeševanje v relativističnih udarnih valovih pospeši do visokih energij in sinhrotronsko sevajo. Vendar se s tem ne da pojasniti izvora fotonov z visoko energijo (GeV) v tem izbruhu. En članek obravnava analizo podatkov optičnega zasija, dobljenega zgolj nekaj sekund po začetku izbruha, in zaključi, da v neposredni okolici izbruha prevladuje zvezdni veter, torej snov, ki jo je zvezda odpihnila iz svoje ovojnice, preden je eksplodirala.

V članku, pri katerem smo sodelovali mi, pa smo ugotovili, da lahko pozni razvoj zasijev v različnih valovnih dolžinah opišemo z modelom, v katerem ima okoliška snov konstantno gostoto in je torej medzvezdna snov, ne pa zvezdni veter. To bi lahko pomenilo, da se lastnosti okoliške snovi z razdaljo od umirajoče zvezde spreminjajo. Ugotovili smo tudi, da lastnosti zasijev in izbruha samega kažejo, da gre za dogodek, ki se bistveno ne razlikuje od velike večine izbruhov, ki so od nas veliko bolj oddaljeni (prav to je bil povod za naslov članka – Bližnja običajna pošast). To je zelo pomemben rezultat, saj so bili vsi bližnji izbruhi, detektirani do zdaj, precej šibkejši. Lastnosti masivnih zvezd, katerih smrt povzroči izbruh sevanja gama, se torej z razvojem vesolja ne spreminjajo tako močno, kot smo menili doslej. Izbruhi v naši bližini, ki so se zgodili v nedavni preteklosti, so podobni izbruhom na večji oddaljenosti, ki so se zgodili v daljni preteklosti.