W koncepcji tego artysty z masywnej gwiazdy wyłania się strumień cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. W jądrze gwiazdy skończyło się paliwo i zapadło się w czarną dziurę. Część materii wirującej w kierunku czarnej dziury została przekierowana do podwójnych dżetów strzelających w przeciwnych kierunkach. Widzimy rozbłysk gamma, gdy jeden z tych dżetów wskazuje bezpośrednio na Ziemię. Źródło: Laboratorium obrazów koncepcyjnych Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA
Wykorzystując dane z NASAnależącego do Kosmicznego Teleskopu Promieniowania Gamma Fermiego naukowcy odkryli unikalny szczyt energii w następstwie najjaśniejszego rozbłysku promieniowania gamma, jaki kiedykolwiek zaobserwowano, co sugeruje anihilację elektronów i pozytonów. Odkrycie to dostarcza nowego wglądu w zachowanie kosmicznych dżetów i ekstremalne warunki występujące po takich rozbłyskach.
W październiku 2022 roku astronomów zaskoczyło zjawisko, które szybko nazwano BOAT – najjaśniejszy w historii rozbłysk gamma (GRB). Teraz międzynarodowy zespół naukowy donosi, że dane z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Promieniowania Gamma Fermiego ujawniają zjawisko nigdy wcześniej nie widziane.
Zidentyfikowano bezprecedensową cechę widmową
„Kilka minut po erupcji BOAT monitor gamma-ray Burst Monitor firmy Fermi zarejestrował niezwykły szczyt energii, który przykuł naszą uwagę” – powiedziała główna badaczka Maria Edvige Ravasio z Uniwersytetu Radboud w Nijmegen w Holandii, stowarzyszona z Obserwatorium Brera należącym do INAF ( Włoski Narodowy Instytut Astrofizyki) w Merate we Włoszech. „Kiedy po raz pierwszy zobaczyłem ten sygnał, dostałem gęsiej skórki. Z naszych analiz wynika, że jest to pierwsza linia emisyjna o wysokim stopniu pewności, jaką kiedykolwiek zaobserwowano 50 lat studiowania GRB.”
Artykuł o odkryciu ukazuje się w wydaniu czasopisma z 26 lipca Nauka.
Kosmiczny Teleskop Gamma Fermiego obserwuje kosmos, wykorzystując formę światła o najwyższej energii, zapewniając ważny wgląd w najbardziej ekstremalne zjawiska we wszechświecie, od rozbłysków gamma i dżetów czarnych dziur po pulsary, pozostałości supernowych i pochodzenie promieni kosmicznych. Źródło: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)
Kiedy materia oddziałuje ze światłem, energia może zostać pochłonięta i oddana ponownie w charakterystyczny sposób. Te interakcje mogą rozjaśniać lub przyciemniać określone kolory (lub energie), tworząc kluczowe cechy widoczne, gdy światło jest rozproszone w widmie przypominającym tęczę. Cechy te mogą ujawnić bogactwo informacji, takich jak pierwiastki chemiczne biorące udział w interakcji. Przy wyższych energiach cechy widmowe mogą ujawnić określone procesy cząsteczkowe, takie jak anihilacja materii i antymaterii w celu wytworzenia promieni gamma.
„Chociaż niektóre wcześniejsze badania wykazały możliwe dowody na cechy absorpcji i emisji w innych GRB, późniejsza analiza ujawniła, że wszystkie te czynniki mogą być po prostu fluktuacjami statystycznymi. To, co widzimy w BOAT, jest inne” – powiedział współautor Om Sharan Salafia z Obserwatorium INAF-Brera w Mediolanie we Włoszech. „Ustaliliśmy, że prawdopodobieństwo, że ta funkcja jest po prostu fluktuacją hałasu, jest mniejsze niż jeden przypadek na pół miliarda”.
Natura i wpływ rozbłysków promieniowania gamma
GRB to najpotężniejsze eksplozje w kosmosie, emitujące ogromne ilości promieni gamma, czyli formy światła o najwyższej energii. Najpopularniejszy typ ma miejsce, gdy jądro masywnej gwiazdy wyczerpuje swoje paliwo, zapada się i tworzy szybko wirujący obiekt czarna dziura. Materia wpadająca do czarnej dziury zasila przeciwnie skierowane strumienie cząstek, które przedostają się przez zewnętrzne warstwy gwiazdy z prędkością bliską prędkości światła. Wykrywamy GRB, gdy jeden z tych dżetów jest skierowany niemal bezpośrednio w stronę Ziemi.
BOAT, formalnie znany jako GRB 221009A, wybuchł 9 października 2022 roku i natychmiast nasycił większość detektorów promieniowania gamma na orbicie, w tym te na Fermim. To uniemożliwiło im zmierzenie najbardziej intensywnej części wybuchu. Zrekonstruowane obserwacje w połączeniu z argumentami statystycznymi sugerują, że BOAT, choć należał do tej samej populacji co wcześniej wykryte GRB, był prawdopodobnie najjaśniejszym rozbłyskiem, jaki pojawił się na ziemskim niebie od 10 000 lat.
Najjaśniejszy jak dotąd zarejestrowany rozbłysk gamma dał naukowcom nowy, wysokoenergetyczny obiekt do zbadania. Dowiedz się, co zobaczyła misja NASA Fermi i co ta funkcja może nam powiedzieć o dżetach poruszających się z prędkością światła. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda należące do NASA
Wgląd w interakcje cząstek kosmicznych
Domniemana linia emisyjna pojawia się prawie 5 minut po wykryciu rozbłysku i długo po tym, jak przygasła na tyle, aby zakończyć efekt nasycenia u Fermiego. Linia utrzymywała się przez co najmniej 40 sekund, a emisja osiągnęła energię szczytową około 12 MeV (milionów elektronowoltów). Dla porównania energia światła widzialnego waha się od 2 do 3 elektronowoltów.
Co zatem wytworzyło tę cechę widmową? Zespół uważa, że najbardziej prawdopodobnym źródłem jest anihilacja elektronów i ich odpowiedników w antymaterii, czyli pozytonów.
„Kiedy elektron i pozyton zderzają się, ulegają anihilacji, wytwarzając parę promieni gamma o energii 0,511 MeV” – powiedział współautor Gor Oganesyan z Gran Sasso Science Institute i Gran Sasso National Laboratory w L’Aquila we Włoszech. „Ponieważ patrzymy na dżet, w którym materia porusza się z prędkością bliską prędkości światła, emisja ta ulega znacznemu przesunięciu w stronę błękitu i jest przesuwana w stronę znacznie wyższych energii”.
Przyszłe kierunki badań i współpraca
Jeśli ta interpretacja jest poprawna, aby wytworzyć linię emisyjną o wartości szczytowej wynoszącej 12 MeV, anihilujące cząstki musiały poruszać się w naszym kierunku z prędkością około 99,9% prędkości światła.
„Po dziesięcioleciach badania tych niesamowitych kosmicznych eksplozji nadal nie rozumiemy szczegółów działania tych dżetów” – zauważyła Elizabeth Hays, naukowiec uczestniczący w projekcie Fermi w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w Greenbelt w stanie Maryland należącym do NASA. „Znalezienie wskazówek takich jak ta niezwykła linia emisyjna pomoże naukowcom głębiej zbadać to ekstremalne środowisko”.
Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermiego to partnerstwo zajmujące się astrofizyką i fizyką cząstek elementarnych, którym zarządza Goddard. Fermi został opracowany we współpracy z Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych, przy istotnym udziale instytucji akademickich i partnerów z Francji, Niemiec, Włoch, Japonii, Szwecji i Stanów Zjednoczonych.
