26 sierpnia 2020 roku należący do NASA Fermi Gamma-ray Space Telescope (teleskop kosmiczny rejestrujący promieniowanie gamma) zarejestrował impuls wysokoenergetycznego promieniowania, pochodzący z odległego zakątka Wszechświata (promieniowanie to zostało wyemitowane w przybliżeniu 6.6 miliarda lat temu). Trwający zaledwie sekundę rozbłysk o nazwie GRB 200826A (nazwa zawiera datę zarejestrowania zjawiska) okazał się najkrótszym zarejestrowanym rozbłyskiem gamma, wyemitowanym przez umierającą masywną gwiazdę.

Rozbłyski gamma (ang. Gamma-Ray Burst, GRB) są jednymi z najpotężniejszych zjawisk we wszechświecie. Mogą być wykryte nawet z odległości miliardów lat świetlnych. W zależności od czasu trwania rozbłysku, astronomowie klasyfikują go jako długi (jeśli trwa dłużej niż dwie sekundy) albo krótki. Do niedawna emisję długich rozbłysków łączono z procesem zapadania się dużych gwiazd, podczas gdy krótkie GRB łączone były z innymi zjawiskami.

GRB 200826A jest przedmiotem dwóch artykułów opublikowanych w czasopiśmie naukowym Nature Astronomy 26 lipca 2021 roku. Liderami dwóch zespołów pracujących nad artykułami byli Bin-bin Zhang z Uniwersytetu Nanjing w Chinach oraz Tomás Ahumada, doktorant na Uniwersytecie Marylandu w College Park.

„Już wcześniej wiedzieliśmy, że niektóre rozbłyski pochodzące od masywnych gwiazd mogą zostać zarejestrowane jako krótkie, sądziliśmy jednak, że spowodowane jest to niedokładnością sprzętu.”, wyjaśnia Zhang. „Ten rozbłysk jest wyjątkowy, ponieważ z całą pewnością jest to krótki rozbłysk, lecz jego własności wskazują na pochodzenie z umierającej gwiazdy. Dzięki temu wiemy, że również krótkie rozbłyski mogą być emitowane przez umierające gwiazdy.”

Kiedy masywne, dużo większe od Słońca gwiazdy zbliżają się do kresu swego życia, ich jądro zapada się pod własnym ciężarem, tworząc czarną dziurę. Podczas gdy materia gwiazdy zmierza w kierunku nowopowstałej czarnej dziury, jej część ucieka w formie dwóch potężnych dżetów pędzących na zewnątrz z prędkością bliską prędkości światła. Rozbłysk gamma może zostać zarejestrowany tylko wtedy, gdy jeden z dżetów zmierza dokładnie w kierunku Ziemi. Chwilę po emisji dżetów, gwiazda eksploduje jako supernowa. Innym źródłem rozbłysków gamma są np. kolizje zbitych, masywnych obiektów takich jak gwiazdy neutronowe.

GRB 200826A trwał jedynie 0.65 sekundy, lecz przez miliardy lat, podróżując przez rozszerzający się wszechświat, sygnał uległ rozciągnięciu do około sekundy. Oprócz teleskopu Fermiego, rozbłysk został zauważony także przez sondę Wind, znajdującą się 1.5 miliona kilometrów od Ziemi, oraz sondę 2001 Mars Odyssey, orbitującą wokół Marsa. Dzięki różnicom czasu, w którym te odległe od siebie przyrządy zarejestrowały rozbłysk, udało się ustalić że pochodzi on z fragmentu nieba w gwiazdozbiorze Andromedy.

W ciągu doby od wystąpienia rozbłysku zarejestrowano jego poświatę w świetle widzialnym, jak również w falach radiowych i promieniowaniu rentgenowskim, co pozwoliło dokładnie określić miejsce, z którego nastąpiła emisja.

Zdjęcie zanikającej poświaty (po środku) rozbłysku GRB 200826A

Ale aby potwierdzić że źródłem GRB 200826A była umierająca gwiazda, naukowcy musieli zaobserwować wybuch supernowej niedługo po rozbłysku.

„Jeśli rozbłysk spowodowała zapadająca się gwiazda, wtedy po zniknięciu poświaty powinien nastąpić nagły wzrost jasności spowodowany eksplozją supernowej” objaśnia Leo Singer, astrofizyk. „Jednak przy takich odległościach potrzeba bardzo dużego i czułego teleskopu, żeby rozróżnić światło supernowej od światła jej galaktyki.”

Aby prowadzić poszukiwania supernowej, Singer uzyskał dostęp do 8.1 metrowego teleskopu w obserwatorium Gemini North na Hawajach. Tam obserwowano miejsce rozbłysku 28 dni po jego zarejestrowaniu. Obserwacje powtórzono 45 i 80 dni po wystąpieniu rozbłysku. W pierwszej serii obserwacji zauważono wzrost jasności (supernową), który nie występował w późniejszych obserwacjach. W ten sposób potwierdzono teorię o powstaniu GRB 200826A.

Badacze przypuszczają, że rozbłysk GRB 200826A spowodowały dżety, które były na tyle słabe, że prawie nie wydostały się na zewnątrz gwiazdy. Jeśli czarna dziura wewnątrz starej gwiazdy emitowałaby słabsze dżety, lub sama gwiazda byłaby większa, dżety mogłyby w ogóle nie wydostać się z gwiazdy, a rozbłysk gamma wcale by nie powstał.

„Sądzimy, że rozbłysk był bardzo słaby, niewiele brakowało, a wcale by do niego nie doszło.” mówi Tomás Ahumada. „Pomimo tego wyemitował on 14 milionów razy więcej energii niż cała Droga Mleczna w takim samym czasie, co czyni go jednym z najbardziej energetycznych krótkich rozbłysków gamma jakie kiedykolwiek zaobserwowano.”

Odkrycie pochodzenia rozbłysku GRB 200826A pomaga rozwiązać pewien paradoks. Dotychczas astronomowie uważali, że jedynie długotrwałe rozbłyski są powiązane z wybuchami supernowych. Jednak obserwowano znacznie więcej supernowych niż długotrwałych rozbłysków gamma. Przykład GRB 200826A pokazuje, że nie można jednoznacznie określić pochodzenia rozbłysku tylko na podstawie długości trwania. Co więcej, potwierdzenie znajduje teoria, według której najbardziej masywne gwiazdy umierają wcale nie emitując dżetów i rozbłysków gamma.

Autor

Jan Roguwski