Naukowcy z University of Chicago rzucili wyzwanie panującej obecnie teorii dotyczącej tajemniczej natury błysków gamma, które sygnalizują narodziny czarnej dziury.
Kluczowym elementem nowej teorii jest odkrycie, że błyski gamma pochodzące z początków istnienia Wszechświata są jaśniejsze, a przez to łatwiejsze do zauważenia niż bardziej współczesne błyski. Odkrycie to oznacza, że naukowcy mogą wykorzystać te błyski do określenia, kiedy uformowały się pierwsze gwiazdy oraz odpowiedzieć na wiele ważkich pytań kosmologicznych.
Naukowcy, kierowani przez Dona Lamba, połączyli dane dostarczone przez satelitę High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) z symulacjami komputerowymi i udało im się po raz pierwszy w sposób ścisły połączyć trzy typy kosmicznych eksplozji, w tym błyski gamma, z kolapsem masywnych gwiazd. Naukowcy przedstawili swoje odkrycia w serii prac prezentowanych na konferencji 2003 GRB Conference w Santa Fe.
Dale Frail, naukowiec z National Radio Astronomy Observatory (NRAO) w Socorro, powiedział, że Lamb i jego grupa dopasowali parę kawałków układanki. „Jego wyjaśnienia dotyczące różnorodności kosmicznych eksplozji są tak proste i eleganckie, że chcę żeby były prawdziwe” – powiedział Frail. – „Ostrzegam, że to nie jedyny sposób dopasowania tych puzzli, czas powie nam, czy to ten właściwy„.
Od odkrycia błysków gamma w 1973 roku, plasują się one pośród największych tajemnic astronomii. Dopiero ostatnio naukowcom udało się połączyć błyski gamma z wybuchami supernowych. Błyski gamma trwają od ułamka sekundy do kilku minut i niosą z sobą energię 1000 supernowych. Te nieprzewidywalne błyski docierają niemal codziennie, z każdego kierunku. Towarzyszy im poświata, widzialna przez kilka dni w promieniowaniu rentgenowskim i optycznym. HETE-2 zostało specjalnie zaprojektowane tak, by astronomowie mogli obserwować poświaty.
Z tajemnicą błysków gamma związane są słabsze błyski gamma, o dużym zakresie spektrum w promieniowaniu X, oraz jeszcze słabsze błyski promieniowania X. Lamb i jego współpracownicy zaproponowali teorię, że za wszystkimi trzema typami błysków stoi zapadnięcie się masywnej gwiazdy. „Błyski promieniowania rentgenowskiego, bogate w promieniowanie X błyski gamma i właściwe błyski gamma mają ciągle zmieniające się własności i prawie na pewno są przejawem tego samego zjawiska” – powiedział Lamb.
Typ błysku wykrytego przez HETE-2 zależy od kąta pod jakim widzimy je z Ziemi. „Błysk gamma jest jak laser skierowany prosto w ciebie. Jest niesłychanie jasny, gdyż jest to wąska struga, cienka jak wkład do ołówka” – mówi Lamb. Błyski gamma z promieniowaniem X są emitowane pod większym kątem, około 10 stopni. Błyski X z kolei emitują energię praktycznie w każdym kierunku.
Wnioski oparte są o propozycję Fraila, który zasugerował, że każdy błysk gamma uwalnia tyle samo energii, jednak kąt rozwarcia strugi jest w jakiś sposób zmienny. Grupa z Chicago rozciągnęła to stwierdzenie na błyski gamma z promieniowaniem X oraz błyski X.
Naukowcy uogólnili również pracę włoskiego astrofizyka Lorenzo Amati. Wykorzystując dane z satelity rentgenowskiego BeppoSAX, Amati znalazł związek między szczytową energią a całkowitą energią błysku gamma. Stwierdził, że jasne błyski mają wysokoenergetyczne maksimum, a słabe błyski – słabo. Naukowcy skupieni wokół Lamba pokazali tę samą zależność dla pozostałych rodzajów błysków.
Zależność ta jest bardziej zaskakująca niż to się by mogło wydawać. „Zasadniczo, błyski które mają wysokie maksimum mogą być bardzo słabe, a błyski o niewielkim maksimum – bardzo jasne” – mówi Graziani. – „Nie ma żadnej przesłanki, która wskazywałaby na związek tej prawidłowości ze źródłem błysku gamma„.
Dominująca obecnie teoria mówi, że każdy błysk gamma produkuje ten sam typ strugi. Struga jest jasna w środku a jej jasność gwałtownie maleje, gdy obserwujemy ją pod kątem.
„Gdy próbuje się dopasować ten obraz do pozostałych typów błysków, jest się skazanym na porażkę” – mówi Lamb. Gdyby ta teoria była prawdziwa, HETE-2 obserwowałby więcej błysków X i błysków gamma wzbogaconych promieniowaniem X, gdyż są emitowane pod większym kątem.
„HETE nie obserwuje takiej sytuacji” – mówi Lamb. – „W rzeczywistości HETE obserwuje mniej więcej tyle samo błysków każdego typu„.
Jeśli Lamb i jego współpracownicy mają rację, znaczy to, że błyski gamma występują około 100 razy liczniej, niż przewidywano. „Ujście strugi jest tak wąskie, że nie widzimy większości błysków. Prawie wszystkie są skierowane w innym kierunku” – mówi Lamb.
Kluczowym elementem badań grupy z Chicago było zaobserwowanie ewolucji błysków gamma i ich symulacja komputerowa.
Naukowcy określili, że wybuchy masywnych gwiazd, do których dochodziło, gdy wiek Wszechświata wynosił zaledwie 1 miliard lat, były około 1000 razy jaśniejsze niż te późniejsze o 13 miliardów lat. Naukowcy bazują swe znalezisko na 20 wybuchach, których wiek został dobrze określony. 11 z tych błysków zaobserwował HETE, kolejnych 9 – BeppoSAX. Przyczyna takiej zmiany pozostaje w sferze spekulacji.
„Obiecującym wyjaśnieniem różnicy w kącie ujścia strugi wydaje się różnica w spinie jądra gwiazd w momencie zapadnięcia się w czarną dziurę” – mówi Lamb. Według tego scenariusza gwałtownie kręcące się jądro odpowiada za powstanie wąskiej strugi i błysku gamma. Wolniej kręcące się jądro wyprodukuje błysk promieniowania X i bardzo szeroką strugę.
„Być może wcześniej jądra rotowały szybciej” – wyjaśnia Lamb. Symulacje komputerowe dawały rezultaty bliskie obserwacjom HETE i BeppoSAXa oraz obserwacjom z innych źródeł, takich jak Burst and Transient Source Experimen, znajdujący się na Compton Gamma-Ray Observatory.
Na koniec, Lamb oraz George Ricker z Massachusetts Institute of Technology, który kieruje misją HETE, zaproponowali NASA, żeby przedłużyć misję HETE, planowaną dotychczas do 31 stycznia 2004 roku. Przy wydatku 25 milionów dolarów przy pomocy satelity odkryto 48 błysków od 2000 roku. Satelita BeppoSAX, działając od 1996 roku, udokumentował 52 błyski.
„W rachunkach dolar za błysk, HETE ofiarowuje prawdziwie promocyjną cenę” – podsumował Lamb.
