Rozbłyski gamma z bliska wyzwalają nowe tajemnice
Redakcja
/ idw / DESY komunikat prasowy
astronews.com
4. Czerwiec 2021

Używając specjalnych teleskopów Obserwatorium HESS w Namibii, najbardziej energetyczne do tej pory promieniowanie zostało zarejestrowane przez błysk gamma, a najdłuższy kolejny rozbłysk był obserwowany w regionie promieniowania gamma. Jednak obserwacje stawiają zespołowi nowe zagadki, ponieważ wydają się kolidować z wcześniej preferowaną teorią dotyczącą tych wydarzeń.

Najjaśniejsze eksplozje we wszechświecie są prawdopodobnie silniejszymi akceleratorami cząstek niż oczekiwano: potwierdzają to niezwykle szczegółowe obserwacje takiego kosmicznego błysku gamma. Za pomocą specjalnych teleskopów Obserwatorium HESS w Namibii międzynarodowy zespół badawczy zarejestrował jak dotąd najbardziej energetyczne promieniowanie z błysku gamma i śledził najdłuższe zorze w regionie promieniowania gamma. Ocena danych wskazuje, że promienie X i gamma tych masywnych wybuchów gwiazd mają tę samą przyczynę i nie są, jak wcześniej zakładano, spowodowane oddzielnymi procesami.

„Rozbłyski gamma to jasne rozbłyski promieniowania rentgenowskiego i gamma na niebie, które pochodzą ze źródeł spoza naszej galaktyki” – wyjaśnia badaczka DESY Sylvia Zhou, jedna z autorek prezentowanego badania. „Są to największe eksplozje we wszechświecie i są związane z zapadnięciem się masywnej, szybko obracającej się gwiazdy w czarną dziurę”.

Część uwolnionej energii grawitacyjnej napędza bardzo szybką, ultrarelatywistyczną falę uderzeniową. W nim przyspieszane są cząstki subatomowe, takie jak elektrony, które z kolei mogą generować promieniowanie gamma. Błyski gamma (w skrócie GRB) dzielą się na dwie fazy: krótką, chaotyczną fazę burstów trwającą kilkadziesiąt sekund oraz kolejną długą, powoli zanikającą fazę. Dwa satelity zostały zarejestrowane 29 sierpnia 2019 r. Fermi A Szybki NASA wypuściła błysk gamma w południowej konstelacji Eridanos. Wydarzenie jest indeksowane według daty jako GRB 190829A. Z odległości około miliarda lat świetlnych okazał się jednym z najbliższych rozbłysków gamma zaobserwowanych do tej pory. Dla porównania: typowy rozbłysk gamma jest oddalony o około 20 miliardów lat świetlnych.

„Naprawdę widzieliśmy rozbłysk gamma z pierwszego rzędu” – mówi badacz z DESY Andrew Taylor. Zespół zarejestrował kolejne zorze, gdy tylko znalazły się w polu widzenia teleskopu HESS. „Byliśmy w stanie oglądać Twilight przez wiele dni i bezprecedensową energię” – mówi Taylor. Stosunkowo niewielka odległość błysku gamma umożliwiła szczegółowe pomiary wysokoenergetycznego widma jego poświaty, czyli „koloru” lub rozkładu energii promieniowania rentgenowskiego i fotonów gamma.

„Byliśmy w stanie zmierzyć widmo GRB 190829A do energii 3,3 TeV, czyli około bilion razy więcej niż światło widzialne” – mówi Edna Ruiz-Velasco z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Heidelbergu. . „To właśnie sprawia, że ​​ten rozbłysk gamma jest tak niezwykły – wystąpił w naszym bezpośrednim kosmicznym sąsiedztwie, tak że jego wysokoenergetyczne fotony nie zostały pochłonięte przez zderzenia ze światłem tła, jak to ma miejsce na długich dystansach we wszechświecie”.

Kiedy używane są bardzo wysokie energie, proces ten powoduje dalsze ciemnienie wszechświata na dużych odległościach. HESS śledził poświatę rozbłysku gamma aż do trzeciego dnia po pierwotnej eksplozji. „Nasze obserwacje ujawniają uderzające podobieństwo między komponentem rentgenowskim a bardzo wysokoenergetycznym promieniowaniem gamma w poświacie” – informuje Chu.

Jest to zaskakujące, ponieważ ogólnie przyjęta teoria zakłada, że ​​te dwa składniki promieniowania muszą być wytwarzane przez różne mechanizmy: promieniowanie rentgenowskie pochodzi więc od silnie przyspieszonych elektronów odchylonych przez silne pola magnetyczne w pobliżu wybuchu. Wykorzystując ten „proces synchrotronowy”, akceleratory cząstek na Ziemi również wytwarzają intensywne promieniowanie rentgenowskie do badań naukowych.

Jednak zgodnie z obecnymi teoriami proces synchrotronowy początkowo nie wchodzi w rachubę w celu wytworzenia wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Winna jest tak zwana granica spalania, którą określa stosunek przyspieszenia i chłodzenia cząstek w akceleratorze. Produkcja promieniowania gamma wymaga elektronów o energiach znacznie wyższych niż granica spalania, których nie są w stanie wytworzyć nawet najpotężniejsze eksplozje w kosmosie.

Zamiast tego teoria zakłada, że ​​szybkie elektrony zderzają się z już wysokoenergetycznymi fotonami synchrotronowymi i w tym procesie podnoszą je do energii gamma. Ten złożony proces nazywa się Synchrotron Self Compton (SSC). Jednak obserwacje GRB 190829A po zorzy polarnej pokazują, że obydwa składniki – to znaczy promienie X i promienie gamma – wyblakły jednocześnie. Ponadto widmo promieniowania gamma jest dobrze dopasowane do rozszerzenia widma promieniowania rentgenowskiego. Łącznie te właściwości wyraźnie wskazują, że oba składniki promieniowania zostały wygenerowane w tym samym procesie.

„Nie spodziewalibyśmy się zaobserwować tak niezwykle podobnych właściwości spektralnych i czasowych promieniowania rentgenowskiego i bardzo wysokoenergetycznego promieniowania gamma, gdyby te radioaktywne składniki miały różne pochodzenie” – wyjaśnia Dmitriy Kangolian z Rikkyu University w Tokio. To stawia pod znakiem zapytania proces SSC jako źródło promieniowania gamma.

To, czy teoria rozbłysków gamma musi zostać zmieniona, może zostać wyjaśnione jedynie przez dalsze obserwacje bardzo wysokoenergetycznego składnika późniejszej zorzy polarnej. Jednak GRB 190829A jest czwartym błyskiem gamma, który można wykryć przy tak wysokich energiach. Jednak wcześniej wykryte rozbłyski gamma pochodziły ze znacznie większej odległości, a ich kolejne zorze można obserwować tylko przez kilka godzin i nie przy energiach wyższych niż jeden teraelektronowolt (TeV).

„Następna generacja maszyn takich jak ta هذا Zestaw teleskopu Czerenkowa, który jest obecnie budowany w chilijskich Andach i na kanaryjskiej wyspie La Palma, ma bardzo obiecujące perspektywy regularnego śledzenia rozbłysków gamma” – mówi rzecznik HESS Stefan Wagner z Heidelberg State Observatory. Rozbłyski gamma we wszechświecie, te regularne zapisy objętości wysokiej energii powinny znacznie pomóc w lepszym zrozumieniu fizyki tych masywnych kosmicznych eksplozji”.

HESS to system pięciu tak zwanych teleskopów obrazowania Czerenkowa do badania kosmicznego promieniowania gamma. Nazwa oznacza Stereoskopowy system dużej mocy (stereoskopowy system monitorowania promieniowania wysokoenergetycznego) Honoruje również odkrywcę promieni kosmicznych, Victora Franza Hessa, który za swoją pracę otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1936 roku. HESS znajduje się w Namibii w regionie Gamsberg, który słynie z doskonałych warunków obserwacyjnych. Cztery z pięciu teleskopów HESS zaczęły działać w 2003 roku, a piąty co do wielkości teleskop działa od lipca 2012 roku.

Zespół pisze o swoich obserwacjach w specjalistycznym artykule opublikowanym obecnie w czasopiśmie Nauka Pojawił się.