Sestavljanje nove slike izbruhov žarkov gama

Dr. Drejc Kopač: “Izbruhi sevanja gama so nenapovedljivi in kratki bliski gama svetlobe, ki v povprečju trajajo od delčka sekunde pa do nekaj deset minut, in v tem času presvetlijo vse druge izvore sevanja gama iz vesolja.”

Dr. Drejc Kopač

foto: Mija Škrabec Arbanas

V neznanem in skritem vesolju najdemo tudi tako bliskovite pojave, da se zgodijo v delčku sekunde. Gre za izbruhe žarkov gama, ki se – gledano statistično – pojavljajo enkrat na dan, verjetnost, da bi se zgodili v naši galaksiji, pa je precej majhna. To je dobro, saj bi tako močna eksplozija relativno blizu nas lahko poškodovala zgornje plasti atmosfere in uničila ozonsko plast, to pa bi gotovo negativno vplivalo na življenje na Zemlji.

Slika teh spektakularnih in najmočnejših eksplozij v vesolju po velikem poku, ki jih pred dvajsetimi leti nismo niti približno razumeli, se zdaj sestavlja. Nov pogled v območje nastanka izbruhov in na razumevanje, kaj se dogaja v samem izvoru izbruha sevanja gama, je odkrila raziskava, pri kateri sodeluje tudi mladi astrofizik dr. Drejc Kopač.

Teleskop Liverpool na Kanarskem otočju

Teleskop Liverpool na Kanarskem otočju

Vseh vrst svetlobe ne vidimo. Infrardeča svetloba toplotnega sevanja, radarski in radijski valovi imajo daljše valovne dolžine od vidne svetlobe. Njihovi paketi valovanja z imenom fotoni imajo tudi manjšo energijo. Nasprotno imajo ultravijolična svetloba ter rentgenski žarki in sevanje gama dovolj energije, da razbijajo atome in celo njihova jedra. Na srečo tako energetsko sevanje iz vesolja ne more do nas, saj nas ščiti Zemljina atmosfera.

Večina vidne svetlobe v vesolju prihaja z zvezd. Površine le-teh so segrete na več tisoč stopinj in žarijo, podobno razbeljenemu kosu železa. Najbolj vroče površine zvezd so svetle tudi v ultravijolični svetlobi. Za nastanek rentgenske svetlobe ali sevanja gama pa temperatura ni dovolj visoka. Vesolje je zato v sevanju gama pretežno temno, izvori teh najbolj energetičnih žarkov pa razkrivajo eksotične pogoje nastanka, kot je sevanje izjemno hitrih delcev snovi, ki se vrtinčijo v magnetnih poljih.

Kot smo omenili, sevanje gama nastane pri spreminjanju atomov enega kemičnega elementa v drugega, torej tudi ob jedrskih eksplozijah. Zato sta obe velesili pred pol stoletja zgradili satelite, namenjene nadzoru jedrskih poskusov nasprotnice. Namesto nedovoljenih jedrskih eksplozij v vesolju so ti sateliti zaznali občasne kratke bliske sevanja gama, ki so prihajali iz globin vesolja.

Šele pred 16 leti so uspeli tak blisk povezati z eksplozijo, ki so jo v vidni svetlobi opazili v oddaljeni galaksiji. Postalo je jasno, da so ti izbruhi zelo daleč. Da jih vidimo, morajo sprostiti tudi veliko energije. Za razumevanje opaženega je tu odločilna tehnologija. Ker objekt naglo temni, je treba opazovanja izvesti hitro, z mrežo robotskih teleskopov razporejenih po vsej Zemlji. Inventivni instrumenti na takih teleskopih omogočajo meritve, ki lahko izločijo posamezne razlage opaženega.

Prve minute izbruha sevanja gama

Prve minute izbruha sevanja gama

Dr. Drejc Kopač s Fakultete za matematiko in fiziko v Ljubljani je eden od ducata znanstvenikov, ki skupaj z britanskimi in italijanskimi kolegi opazuje z mrežo robotskih teleskopov. S tistim na Kanarskih otokih lahko ugotovijo tudi, v kateri ravnini niha opažena svetloba, merijo torej njeno polarizacijo. Člani skupine so v zadnjih šestih mesecih soavtorji treh izjemno odmevnih znanstvenih člankov, objavljenih v revijah Nature in Science, ki govorijo o lastnostih polarizacije svetlobe iz teh izjemno močnih eksplozij in ki eksplozije, opažene v relativno bližnjem vesolju, primerjajo s tistimi, ki so se zgodile, ko je bilo vesolje še mlado. Doktor Kopač je doktoriral pred letom dni in je soavtor 8 znanstvenih člankov v najuglednejših znanstvenih revijah. Veliko energije nameni obveščanju javnosti, marsikdo pa ga sreča tudi v hribih.

Izbruhi gama žarkov so najmočnejše eksplozije v vesolju po velikem poku. Pred dvajsetimi leti še niti približno nismo razumeli, kaj se dogaja, sedaj pa se slika sestavlja. Kaj se torej zgodi ob taki eksploziji in kaj vidimo?

Ja, sploh opazovanja v zadnjih 15-20 letih so pripomogla k temu, da danes lahko vidimo osnovno sliko teh najmočnejših eksplozij v vesolju. To je podobno kot če bi sestavljali sestavljanko s 5000 koščki in imamo sedaj okvir sestavljen in približno 4000 koščkov že na svojem mestu, 1000 pa jih še leži okrog, ampak približno vemo, kam jih moramo dati. Zavedati se moramo, da smo škatlo od sestavljanke izgubili, ne vemo pa, kakšna je slika.

Če gremo od začetka, izbruhi sevanja gama so nenapovedljivi in kratki bliski gama svetlobe, ki v povprečju trajajo od delčka sekunde pa do nekaj deset minut, in v tem času presvetlijo vse druge izvore sevanja gama iz vesolja. Ker naša atmosfera na našo srečo ne prepušča sevanja gama, je bilo njihovo odkritje možno šele s prihodom vesoljskih satelitov v 60ih letih prejšnjega stoletja. Vse od takrat pa do leta 1997 ni bilo jasno, ali se izbruhi dogajajo v naši galaksiji ali v drugih galaksijah, čeprav je v prid slednjega kazala izotropna porazdelitev izbruhov po nebu.

Šele leta 1997, ko so zaznali prvi zasij, to je svetloba z daljšo valovno dolžino, torej rentgenska, optična in radijska svetloba, ki sledi začetnemu izbruhu sevanja gama, in so s tem točno določili razdaljo do izbruha, je bilo jasno, da se dogajajo v zelo oddaljenih galaksijah in da so zato intrinzično izjemno energetski, da gre za najbolj energetske eksplozije v vesolju. Z določitvijo te celotne energije pa so tako hitro odpadli mnogi prej predlagani teoretični modeli za nastanek izbruhov. Do danes sta se nekako izoblikovala dva glavna: izbruh sevanja gama lahko nastane pri kolapsu sredice zelo masivne in hitro vrteče se zvezde, ali pa pri trku in zlitju dveh zelo kompaktnih objektov (na primer dveh nevtronskih zvezd), ki se nahajata v dvojnem sistemu. Pri obeh scenarijih nastane kompaktni objekt, torej črna luknja ali nevtronska zvezda, skupaj z akrecijskim diskom snovi, ki poganja izbruh. Ker se ob tem procesu sprosti veliko gravitacijske energije, nastane izjemno močna eksplozija, ki jo zaznamo kot izbruh sevanja gama.

Dr. Kopač, sodelovali ste pri raziskavi, rezultati le-te so bili decembra objavljeni v reviji Nature; v raziskavi ste predstavili lastnosti izbruha, ki ste ga opazovali 8. marca leta 2012. Kaj ste odkrili?

Z doktorico Andrejo Gomboc, Juretom Japljem in s kolegi iz Anglije in Italije sestavljamo relativno majhno, 12-člansko raziskovalno skupino in raziskujemo izbruhe sevanja gama tako iz teoretičnega kot iz eksperimentalnega vidika. Največji delež raziskav predstavljajo izbruhi, pri katerih sami opazujemo optični del zasija z 2-metrskimi robotskimi teleskopi na Kanarskih otokih, na Havajih in v Avstraliji. Prav robotski teleskop Liverpool na kanarskem otoku La Palma pa ima nameščen za nas izjemno pomemben instrument, to je polarimeter, s katerim lahko merimo stopnjo linearne polarizacije izjemno šibke vidne svetlobe, ki tipično spremlja izbruhe sevanja gama. Tukaj bi tudi omenil, da so polarimeter razvili in naredili člani skupine in da ga konstantno razvijamo že 10 let.

O polarizaciji največkrat slišimo, ko gremo kupovat sončna očala, saj nam tista dražja, ki imajo polarizacijske leče, eliminirajo odboje iz reflektivnih površin, kot npr. gladine morja oz. jezera. Pri astronomskih opazovanjih, sploh pri izbruhih sevanja gama, pa gre za malenkost drugačen princip. Tur nam polarizacije ne povzroči odboj, ampak struktura magnetnega polja, ki je odgovorno za nastanek svetlobe pri izbruhih. Predvsem pa gre pri polarimetriji za relativno nov pristop, kjer hočemo iz majhnega števila fotonov, ki jih iz izbruhov sevanja gama dobimo, izluščiti čim več informacij.

In prav pri izbruhu, ki smo ga opazovali 8. marca leta 2012, smo ob pomoči meritve deleža linearne polarizacije, ki je bila relativno visoka, lahko dobili nov vpogled v območje nastanka izbruhov in tako poskušali razumeti, kaj se dogaja v samem izvoru izbruha sevanja gama. Z meritvijo smo namreč pokazali, da je magnetno polje pri izbruhih sevanja gama urejeno na zelo velikih skalah. Gre za velikostne skale, ki so veliko večje kot je razdalja med Zemljo in Soncem. Da smo to lahko določili, pa je bilo bistveno dejstvo, da smo stopnjo linearne polarizacije merili zelo zgodaj po izbruhu, le 4 minute po glavni eksploziji. Za to pa je potrebno imeti polarimeter na robotskem teleskopu, ki se zelo hitro odzove.

Nekateri izbruhi se dogodijo tako daleč, da je svetloba, ki jo vidimo sedaj, morala na pot, ko je bilo vesolje še mlado. Drugi nastanejo v relativno bližnjih galaksijah v razmerah, bližjih današnjim. Je med enimi in drugimi izbruhi kakšna razlika?

Kot smo skupaj z večjo mednarodno skupino astronomov objavili pred nekaj meseci v reviji Science, najnovejši rezultati kažejo, (zlasti opazovanje izbruha 130427A) da ni razlik v samem izbruhu med tistimi izbruhi, ki se zgodijo zelo blizu, in tistimi, ki se dogajajo na zelo veliki oddaljenosti, ko je bilo vesolje še precej mlado. To je potrditev, da je mehanizem izbruhov enak in da so tudi lastnostni zvezd, ki povzročijo izbruhe, podobne, ter da naši teoretični okvirji za opis izbruhov držijo.

Prednost tega izbruha pa je bilo tudi dejstvo, da ker ni bil tako zelo oddaljen in ker je bil relativno svetel, ga je opazovalo veliko število instrumentov in smo zato uspeli sestaviti zelo podroben set opazovanj v velikem območju valovnih dolžinah, od zelo energetskih gama fotonov do dolgovalovnih radijskih območij. To nam pa seveda pomaga pri modeliranju in potem pri razumevanju izbruhov. To je veliko lažje, če imamo dobre podatke, nekaj, kar sicer ni trivialno pri naših opazovanjih.

Kar je pa mogoče bolj zanimivo pa je dejstvo, da nam prav izbruhi na veliki oddaljenosti, torej iz zelo mladega vesolja, zaradi njihove svetlosti pomagajo preučevati okolico, v kateri se izbruhi zgodijo. Kot nekakšni svetilniki, ki mornarju pomagajo najti pot do pristanišča ali pa označujejo čeri, nam izbruhi sevanja gama osvetlijo okolico in pri tem nosijo zapis o okolici v svoji svetlobi. Ta svetloba nam potem pomaga pri raziskovanju “pristanišča” izbruha, to je njegove galaksije gostiteljice.

Ker so galaksije gostiteljice na zelo različnih oddaljenostih, lahko z analizo te svetlobe razumemo, kateri elementi so bili bolj pogosti v mlajšem vesolju in kateri so bili bolj pogosti v vesolju blizu nas. To nam med drugim pomaga razumeti, kako se je sestava vesolja spreminjala med samim razvojem vesolja. Ker so povezani z nastajanjem zvezd, nam to govori tudi o hitrosti nastajanja zvezd v različnih obdobjih vesolja, skozi njegovo zgodovino.

Izbruh sevanja gama je zelo spektakularen dogodek, ki močno osvetli svojo okolico. Lahko to kako izkoristimo?

Specifično s tem se bolj ukvarjata Jure Japelj in doktorica Andreja Gomboc, ki sta člana X-shooter kolaboracije. X-shooter je eden najboljših spektrografov na svetu, montiran je na 8.2-metrskem zelo velikem teleskopu v Čilu. Z meritvijo in analizo optičnega spektra zasija lahko razumemo sestavo okolice, kjer se izbruhi dogajajo. To nam služi za razumevanje galaksij gostiteljic. Iz dosedanjih opazovanj smo uspeli pokazati, da so galaksije, v katerih se izbruhi dogajajo, drugačne od naše galaksije – bolj nepravilne, manjše, in imajo precej visoko stopnjo nastajanja novih zvezd. Statistično to pomeni, da je verjetnost, da bi se izbruh sevanja gama zgodil v naši galaksiji, precej majhna, kar je dobro, saj bi tako močna eksplozija relativno blizu nas lahko poškodovala zgornje plasti atmosfere in uničila ozonsko plast, kar bi gotovo negativno vplivalo na življenje na Zemlji.

Pri raziskavah pogosto potrdite prejšnje domneve, včasih pa naletite tudi na presenečenje. Rezultati objave v reviji Nature prejšnji teden, v kateri je sodelovala tudi vaša kolegica doktorica Andreja Gomboc, gotovo niso bili pričakovani. Kaj so odkrili?

Pri astronomskih raziskavah so presenečenja res kar pogosta. To je mogoče tudi zaradi dejstva, da je vesolje tako zelo veliko. Če se vrnemo na analogijo s sestavljanko, je to podobno, kot če vam neki nepridiprav ponoči, ko spite, vzame 500 koščkov, ki so že skoraj bili na pravem mestu in vam namesto tega tam pusti 500 zmešanih koščkov, ki predstavljajo drugačno sliko. Potem se morate spet truditi, da te nove koščke, oziroma ta nova opazovanja, prav postavite v teoretični okvir, ki je skladen z eksperimentom.

Pri tej objavi, ki jo omenjate, so opazovali izbruh, ki se je zgodil 24. oktobra 2012. Za razliko od tistega izbruha, ki sva ga omenila prej, so pri tem izbruhu merili in prvič do zdaj izmerili cirkularno polarizacijo, ki je malo drugačna kot linearna polarizacija – pri cirkularni namreč merimo, v kolikšnem deležu svetlobe se električno polje suka po vijačnici, medtem ko pri linearni merimo, v kolikšni stopnji električno polje niha v neki točno določeni smeri.

Kar so odkrili oziroma izmerili, je precej visoka stopnja cirkularne polarizacije glede na stopnjo linearne, nekaj, kar se ne sklada z napovedmi modelov. Ko so odstranili vse druge recimo temu “šume” iz ozadja, ki bi lahko povzročili takšno stopnjo cirkularne polarizacije, so ugotovili, da tako visoka stopnja cirkularne polarizacije izvira iz samega izbruha oziroma, da je zanjo kriv mehanizem, ki izbruh povzroča. Teoretično je bilo predlaganih nekaj idej, zakaj bi lahko bilo tako, vendar končnih ugotovitev še ni.