През януари 2019 г. световната научна общност е развълнувана от едно събитие – засичането на избухвания на гама-лъчи. Събитието, наречено GRB 190114C, се случва на 14 януари и е засечено от два космически спътника: орбиталната обсерватория СУИФТ и космическия гама-телескоп Ферми. Избухванията са в рамките на 22 секунди, а координатите му в небето са разпространени до астрономите по целия свят.
Данните стигат и до колаборацията MAGIC, в която работят и петима българи. Те са от Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика на БАН. Това са проф. Петър Темников, доц. Галина Манева, гл. ас. Мартин Макариев и физиците Милен Минев и Васил Вергилов.
Същите учени преди години участваха като част от екипа на MAGIC, доказал предположението на Алберт Айнщайн в „Обща теория на относителността“ за гравитационната леща. На кратко тогава ставаше дума за преминаване на светлинен лъч покрай много масивно тяло, при което голямата маса на тялото привлича лъчa и той се изкривява. И тогава, и днес откритието е направено благодарение на два Черенковски телескопа с диаметър 17 м, разположени на испанския остров Ла Палма на Канарите. Именно тези инструменти са част от научните оръжие на колаборацията MAGIC.
Откритието на MAGIC и наблюдението на GRB 190114C в многовълнов диапазон
Особеното при новото откритие е, че гама-избухванията се появяват на непредвидими места в небето и след това радиацията им бързо намалява, наблюдението им от наземни телескопи като MAGIC изисква специално разработена стратегия за проследяване. На 14 януари 2019 г., автоматизирана система на MAGIC обработва в реално време сигналите от сателитните телескопи за регистрирана гама-експлозия и насочва незабавно телескопите MAGIC към позицията на засечения GRB. Това става само за 50 секунди след началото на експлозията. Телескопите са проектирани да бъдат много леки и способни за бързо пренасочване: въпреки теглото от 64 тона на всеки от тях, те могат само за 25 секунди да достигнат и да наблюдават всяка позиция на небето.
Анализът на получените данни за първите десетки секунди разкрива в послесветенето излъчени фотони с тераелектронволтови (TeV) енергии, тоест трилион пъти по-енергични от видимата светлина.
Излъчването на TeV фотони от GRB 190114C е 100 пъти по-интензивно от най-яркия в тази област постоянен източник, Ракообразната мъглявина. Така GRB 190114C е най-яркият известен досега източник на TeV фотони. Както се очакваше за послесветенето на GRB, лъчението бързо избледня с времето, подобно на послесветенето при по-ниски енергии. Последните проблясъци бяха регистрирани от MAGIC половин час по-късно. За първи път несъмнено откриване на TeV фотони от GRB беше обявено от колаборацията MAGIC на международната научна общност само няколко часа след сателитната аларма, след внимателна проверка на предварителните данни. Това предизвика организирането на последваща обширна многовълнова кампания за наблюдение на GRB 190114С от над двадесет обсерватории и телескопи, осигуряващи пълна наблюдателна картина на това гама-избухване, от радио-вълни до TeV енергии. Така оптичните наблюдения позволиха измерването на разстоянието до GRB 190114C. Установено бе, че това е гама експлозия в галактика, за която са били необходими 4,5 милиарда години, за да достигне светлината до Земята.
В първия GRB, регистриран от телескопите MAGIC, известен като GRB 190114C, се откриха за първи път фотоните с най-висока енергия, измерени от такива обекти.
Това основополагащо достижение на MAGIC дава принципиално ново разбиране за физическите процеси, протичащи в GRBs, които все още са научна загадка. Фотоните, регистрирани от MAGIC, трябва да произхождат от процес, досега нeнаблюдаван в послесветенето на GRB, явно различен от физическия процес, предизвикващ излъчване на фотони с по-ниски енергии.
Какво са избухванията на гама лъчи
Избухванията на гама-лъчи (gamma-ray bursts, GRBs) са смятани за една от загадките на вселената. Те са кратки и изключително мощни космически експлозии, които внезапно се появяват на небето, възможно е да е веднъж дневно. Те са кратки и изключително мощни експлозии, произтичащи на космологични разстояния. За няколко секунди те отделят енергия, сравнима с енергията, излъчвана от Слънцето през целия му живот.
Предполага се, че са резултат от колапса на масивни звезди или от сливането на неутронни звезди в далечни галактики. Такива системи могат да създават насочени струи плазма, изхвърляни със скорост, близка до скоростта на светлината.
Гама-избухванията започват с бързо излъчване – много ярка, първоначална емисия на радиация, предимно в рентгенови и мегаелектронволтови гама лъчи (милион пъти по-енергични от видимата светлина). Продължителността на фазата на бързите емисии варира между части от секундата до стотици секунди. Смята се, че излъчването възниква от някаква област в струите, но основният физически механизъм все още не е ясен.
Бързата емисия е последвана от послесветене, по-малко ярка емисия, която избледнява зa продължителен период от време. Послесветенето се приема като произхождащо от ударни вълни, причинени от взаимодействието на струите с околния газ. Обикновено се открива в широк спектър от енергии, от радио, инфрачервена, оптична и ултравиолетова светлина, както и при рентгеновите и гигаелектронволтовите гама лъчи (милиард пъти по-енергични от видимата светлина). Приема се, че преобладаващата част от последващата емисия е синхротронно излъчване, генерирано от високоенергийни електрони, които се ускоряват в ударните вълни и се движат по спирала в околните магнитни полета.
Въпреки, че някои теоретични изследвания предвиждат излъчване на TeV фотони в послесветенето на GRB, те бяха неуловими при наблюдение за дълго време, въпреки многобройните търсения в областта на TeV енергиите с различни инструменти, включително и от MAGIC.
Оптичното послесветене може да се използва за измерване на разстоянията до събитието. Този метод демонстрира, че GRBs обикновено се срещат в галактики, отдалечени от Млечния път. GRB се появяват в непредвидими моменти и места в небето. Само специализирани инструменти, които следят цялото небе, може да ги открият ефективно и бързо да изпратят сигнали с координатите на събитието. Телескопите със сравнително ограничено зрително поле като MAGIC могат да наблюдават GRB най-ефективно, когато са информирани за тяхното местоположение от други инструменти.
Какви са телескопите MAGIC и колаборацията MAGIC
MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) е система от два 17 метрови телескопи, разположени на 2200 метра надморска височина в Observatorio El Roque de los Muchachos (ORM), на Канарския остров Ла Палма, Испания. Иновативните телескопи са проектирани да откриват много високо енергийни гама-лъчи в енергийния диапазон от 30 ГеВ до повече от 50 TeV. Техниката, наречена “Черенковски телескопи” използва образите на генерираните в атмосферата порои от Черенковска светлина. Телескопите MAGIC се управляват от международна колаборация от около 280 души от 12 държави, включително учени, инженери, техници и друг помощен персонал.
GRB 190114C и извънгалактичната фонова светлина
Благодарение на оптичните наблюдения беше установено, че от момента на възникване на GRB 190114C до пристигането на светлината до Земята са изминали 4,5 милиарда години. На такива разстояния откриването на гама лъчи с енергии тераелектронволт е голямо предизвикателство, тъй като те се поглъщат силно по пътя от техния източник до Земята. Това се дължи на наличието на ниско енергетични фонови фотони, наречени “извънгалактична фонова светлина” (EBL). EBL е съставена от всички фотони, произведени от галактиките в инфрачервената, оптичната и ултравиолетовата области през цялата история на Вселената. TeV гама лъчите могат да взаимодействат с EBL фотоните, генерирайки електрон-позитронни двойки, като по този начин ефективно се поглъщат, докато се разпространяват към Земята. Колкото по-далеч е източникът на TeV гама-лъчи, толкова по-силно ще се поглъща неговото лъчение.
Бъдещето
Някои аспекти на EBL все още не са напълно изяснени. Откриването на GRB 190114C от MAGIC може да доведе до нов поглед върху същността на EBL.
„Тези енергиите са много по-високи от това, което може да се генерира чрез синхротронно излъчване от високоенергийни електрони, спирални в магнитни полета”, пояснява А. Стамера, заместник-говорител на колаборацията MAGIC. Тези нови резултати, заедно с много изчерпателните данни от многовълновите наблюдения, предоставят убедително доказателство за различен от приетия механизъм на емисии в послесветенето.
“След повече от 50 години от откриването на GRB, много от основните им аспектите все още остават загадъчни. Откриването на гама-излъчване от GRB 190114C в нова, TeV област на електромагнитния спектър показва, че експлозиите на GRB са по-мощни от нашите представи досега. Богатството от новополучените данни и последвалата го многовълнова кампания предоставят ключ към разгадаването на мистерията на космическите гама-експлозии”, добавя говорителят на колаборацията MAGIC Размик Мирзоян, старши астрофизик от Института по физика „Макс Планк“ в Мюнхен (razmik.mirzoyan@mpp.mpg.de).
Литература
1) The Astronomer’s Telegram ATEL #12390
2) „Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C“, MAGIC Collaboration, Nature, volume 575, pages455–458(20. 11. 2019), https://doi.org/10.1038/s41586-019-1750-x
3) „Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst“, MAGIC Collaboration, P. Veres, […] D. R. Young, Nature, volume 575, pages459–463 (20. 11. 2019), https://doi.org/10.1038/s41586-019-1754-6
