Kolejny wspaniały sukces polskich naukowców: badania nad rozbłyskami gamma mogą przynieść odpowiedź na pytanie, jak powstają czarne dziury. Najnowsza analiza została opublikowana w aktualnym numerze magazynu „Nature”. Wśród międzynarodowego grona autorów jest 10 Polaków – członków zespołu „Pi of the Sky”.
19 marca 2008 r. o godzinie 7.12 rano czasu polskiego satelita Swift zarejestrował niezwykle silny błysk gamma (ang. GRB – Gamma Ray Burst). Nikt nie przypuszczał wtedy, że obserwacja ta będzie tak istotna dla rozumienia zjawisk wysokoenergetycznych rozbłysków, a nawet powstawania czarnych dziur.
Wielki błysk zarejestrowany w marcu oznaczono jako GRB080319B. Polska aparatura pomiarowa projektu „Pi of the Sky” umieszczona w obserwatorium Las Campanas na pustyni Atacama w Chile jako pierwsza, zanim na Ziemię dotarła informacja z satelity, zarejestrowała towarzyszący mu rozbłysk optyczny. Siła błysku była ogromna – jak się wkrótce okazało był to najjaśniejszy rozbłysk zaobserwowany kiedykolwiek przez człowieka. Sygnał pochodził ze źródła odległego aż o 7.5 miliarda lat świetlnych. Mimo rekordowej odległości rozbłysk był tak silny, że przez około 30 sekund widoczny był gołym okiem. Dla porównania, najbardziej odległym obiektem astronomicznym widocznym gołym okiem jest galaktyka M33, odległa od nas o „jedyne” 2.9 miliona lat świetlnych. Szybko gasnące źródło GRB obserwowane było przez kolejne tygodnie w bardzo szerokim zakresie widma: od fal radiowych, przez mikrofale, zakres optyczny, rentgenowski, aż do promieniowania gamma. Była to pierwsza tak dokładna i pełna obserwacja GRB w historii badań nad tym zjawiskiem. Zestawienie i łączna analiza wszystkich zebranych danych zmusiła naukowców do modyfikacji przyjętego dotychczas modelu powstawania GRB.
Aparatura „Pi of the Sky” dostarczyła niezwykle cennych informacji na temat GRB 080319B, gdyż zarejestrowała to co działo się w miejscu zdarzenia tuż przed i w pierwszych sekundach właściwego wybuchu. Dane te są kluczowe dla zrozumienia mechanizmu zachodzącego zjawiska.
Obserwacje optyczne w połączeniu z obrazem widma gamma otrzymanym z satelity „Swift”, po raz pierwszy potwierdzają, że w czasie wybuchu takiego jak obserwowany, emisja optyczna zachodzi równocześnie z emisją promieniowania gamma. Na zarejestrowanych obrazach widać też, że faza wybuchu, w której jasność optyczna narastała, trwała nie dłużej niż 20 sekund. Tak precyzyjne obrazy przebiegu GRB, o 10 sekundowej dokładności, nie były do tej pory dostępne naukowcom. Dwie wcześniejsze obserwacje dokonane przez eksperymenty ROTSE z 1999 roku i RAPTOR z 2004 roku miały kilkudziesięciosekundowy czas ekspozycji. Dzięki aparaturze „Pi of the Sky” skonstruowanej specjalnie do tego celu w Warszawie i w Świerku astronomowie i astrofizycy zyskali nowy wgląd w przebieg tych fascynujących procesów. Sukces jest tym większy, że pomiary zostały wykonane małym prototypem docelowego urządzenia.
Błyski Gamma
Błyski gamma zostały odkryte w latach 60. XX wieku przez amerykańskie satelity szpiegowskie VELA poszukujące promieniowania towarzyszącego tajnym próbom jądrowym. Są to krótkie, trwające od ułamka sekundy do kilkuset sekund, i bardzo intensywne wybuchy promieniowania elektromagnetycznego. Wiemy już, że promieniowanie to nie ogranicza się do zakresu promieniowania gamma, ale dotyczy z różnym natężeniem wszystkich zakresów widma, od fal radiowych, aż do fotonów o energiach rzędu TeV. Choć od ich odkrycia minęło ponad 40 lat wciąż stanowią jedną z największych zagadek astrofizyki.
To jak dochodzi do wybuchów będących źródłem GRB próbuje wyjaśnić wiele teorii, ale wciąż nie ma wystarczających danych, by rozstrzygnąć o istocie tego zjawiska. Z powodu obserwowanej intensywności GRB bardzo długo uważano, że ich źródłem muszą być procesy zachodzące w naszej galaktyce, niedaleko od nas. Dopiero po 30 latach, kolejna generacja specjalnych satelitów badawczych pozwoliła na precyzyjne pomiary pozycji GRB. Obserwacje widma gamma powiązano z obserwacjami w zakresie innych widm – rentgenowskiego, fal radiowych i pasma optycznego. Pomiary w widmie poświaty optycznej obserwowanej po GRB pokazały, że mamy do czynienia ze zjawiskami zachodzącymi bardzo daleko we wszechświecie, w odległościach mierzonych w miliardach lat świetlnych. Dzięki tej obserwacji wiemy, że błyski gamma należą do najbardziej energetycznych zjawisk we wszechświecie. W czasie ułamków sekund do pojedynczych minut swojego trwania wypromieniowują olbrzymie ilości energii, więcej niż Słońce wypromieniuje przez cały okres swojego istnienia.
Podstawowym problem jest mała ilość obserwacji w innych obszarach widma niż promienie gamma. Błyski można podzielić na dwa rodzaje: krótkie, o czasie trwania ułamków sekund, i długie, o czasie trwania od kilku do kilkuset sekund. Wiadomo też, że przynajmniej niektóre spośród długich rozbłysków związane są z supernowymi. W tym wypadku jednym z bardziej prawdopodobnych wyjaśnień mechanizmu długich rozbłysków jest model tzw. kolapsu. Zgodnie z nim źródłem energii rozbłysku jest zapadanie grawitacyjne masywnej gwiazdy do gwiazdy neutronowej, a następnie do czarnej dziury. Niestety znacznie mniej wiadomo o błyskach krótkich, gdyż jak dotąd nie udało się zaobserwować optycznej poświaty towarzyszącej żadnemu z nich. Najpopularniejszą hipotezą jest fuzja dwóch masywnych obiektów, na przykład gwiazd neutronowych. Także w tym przypadku badacze spodziewają się powstania czarnej dziury i towarzyszącej temu erupcji promieniowania.
Pi of the Sky
Podstawową barierą w badaniach błysków optycznych towarzyszących GRB jest sam czas zjawiska. Promieniowanie gamma może być wykrywane jedynie przez dedykowane satelity badawcze, ponieważ pochłaniane jest w atmosferze ziemskiej. Informacja z satelity o zarejestrowaniu błysku gamma dociera do obserwatoriów na Ziemi z kilkunasto- lub kilkudziesięciosekundowym opóźnieniem. Jest to często dłuższy czas niż samo trwanie błysku. Dedykowane teleskopy-roboty, które automatycznie zwracają się w kierunku, z którego dostrzeżono błysk potrzebują kolejnych kilkudziesięciu sekund na podjęcie obserwacji. Dlatego większość dotychczasowych pomiarów optycznych dotyczyła jedynie tzw. poświaty, czyli zanikającego promieniowania pochodzącego z miejsca, w którym wcześniej nastąpił wybuch. Istniejące dane nie pozwalały nawet na rozstrzygnięcie czy błysk optyczny jest równoczesny, czy też opóźniony w stosunku do błysku gamma.
Dotychczasowe obserwacje astronomiczne prowadzono przy użyciu ogromnych teleskopów. Mały wycinek nieba obserwowano przez wiele godzin. Niestety ten sposób nie sprawdza się w poszukiwaniu błysków optycznych, towarzyszących błyskom gamma. By uchwycić to bardzo krótkie zjawisko należy obserwować jak największy obszar nieba i bardzo często robić zdjęcia.
Projekt „Pi of the Sky” nie mógł powstać bez przełomowej zmiany podejścia do obserwacji astronomicznych. Ciągła obserwacja dużego obszaru nieba z rozdzielczością czasową rzędu sekund oznacza ogrom danych. Każdej nocy wykonywane są dziesiątki tysięcy zdjęć. W klasycznym podejściu (najpierw zebranie danych, później analiza) niemożliwe byłoby efektywne przeanalizowanie takich danych. Aby rozwiązać ten problem wykorzystano inną metodę, wypracowane wiele lat temu dla dużych eksperymentów fizyki cząstek elementarnych. Dane zbierane przez aparaturę są przetwarzane na bieżąco, zanim jeszcze zostaną zapisane na dysku. dane w poszukiwaniu błysków przeczesują specjalne algorytmy. Ostatecznie dane zawsze weryfikuje człowiek. Najistotniejsze w tym podejściu jest to, że naukowcy sami mogą rozpoznawać błyski i nie są uzależnieni od informacji pochodzących z satelitów lub innych teleskopów.
Artykuł, który będzie opublikowany w Nature podsumowuje obserwacje GRB080319B dokonane przy pomocy kilkunastu różnych instrumentów badawczych oraz teoretyczną analizę tych wyników. Zebrane dane, choć dotyczą tylko jednego błysku, powiedziały nam bardzo dużo o mechanizmie jego powstawania.
W projekcie "Pi of the Sky", realizowanym przy wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, biorą udział naukowcy, doktoranci i studenci z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, Wydziału Fizyki UW, Centrum Badań Kosmicznych PAN, Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej, Wydziału Fizyki PW, Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW oraz Akademii Pedagogicznej w Krakowie.
Projektem kierują dr hab. Lech Mankiewicz z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, dr hab. Grzegorz Wrochna z Instytutu Problemów Jądrowych i prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW. Projekt realizowany jest też w bliskiej współpracy z projektem ASAS kierowanym przez dr. Grzegorza Pojmańskiego z Obserwatorium Astronomicznego UW.
Przemysław Goławski
Opracowano na podstawie materiałów UW.
