— Published on 01/12/2011 / Čovjek i svemir 2 (2011. – 2012.).
Satelitski detektori kozmičkih gama-zraka svakodnevno bilježe ekstrmne događaje koje nazivamo provalama gama-zraka. Radi se o snažnim, kratkotrajnim emisijama fotona najviših energija koji se nasumično pojavljuju na različitim mjestima na nebu. Puna tri desetljeća, od otkrića 1967. godine, provale gama-zraka imale su status najveće zagonetke astrofizike. Tek su relativno nedavno provale gama-zraka pouzdanije povezane s konkretnim kozmičkim fenomenima: eksplozijama velikih supernova i stapanjem neutronskih zvijezda. Za obje te pojave zajednički je nastanak crne rupe. Provale gama-zraka su, pjesnički rečeno, krikovi rođenja crnih rupa.
Što su provale gama-zraka?
Provale gama-zraka (engl. gamma-ray bursts, GRB) su iznenadne i ekstremno intenzivne emisije visokoenergijskih kozmičkih gama-zraka koje potječu iz udaljenih galaksija. To su najluminozniji događaji u svemiru. Luminoznost je, u astronomiji, snaga elektromagnetskog zračenja. U medijima se provale gama zraka često navode kao “najveće eksplozije nakon velikog praska”. Usporedba s Velikim praskom baš nije korektna. Veliki prasak nije eksplozija (naglo širenje tvari u okolni prostor) nego početno, naglo širenje samog prostora. S druge strane, provala gama-zraka jest eksplozija – to je naglo širenje ogromne energije u okolni prostor. Sama riječ provala (eng. burst) znači naglo, snažno izbijanje ili probijanje (kao posljedica unutrašnjeg pritiska) kao u sintagmama: provala vulkana i provala oblaka. Uglavnom, period iznenadne snažne emisije koja ima nagli rast i pad intenziteta. U sličnom se smislu koristi i riječ bljesak (engl. flare) koja također znači nagli rast i pad intenziteta. No, bljesak je puno slabija pojava (energija emitirana u jedinici vremena puno je manja) i redovito povezana s trajnim izvorima. Provale gama-zraka su suprotnost trajnim izvorima, one se pojave i nestanu. Takve izvore nazivamo tranzijentnim izvorima.
Provale gama-zraka otkrivene su prije više od četrdeset godina američkim satelitima Vela. Ti sateliti nisu bili namijenjeni znanstvenim istraživanjima. Cilj im je bio opaziti rendgenske ili gama-zrake emitirane u eventualnim nuklearnim eksplozijama pri tajnom ruskom testiranju nuklearnog oružja. Vela 3 i Vela 4 detektirali su, 2. srpnja 1967. godine, naglu kratkotrajnu emisiju gama-zraka koja ni najmanje nije ukazivala na nuklearnu eksploziju. Tim za analizu, iz Los Alamosa, odgodio je razmatranje zagonetnog signala. No, kasnije je opaženo još 16 takvih događaja. Iz različitih vremena dolaska do različitih satelita moglo se grubo procijeniti odakle su gama-zrake došle. Ti su rezultati donijeli pravo iznenađenje - provale gama-zraka nisu bile zemaljskog podrijetla. Otkriće je objavljeno 1973. godine u časopisu Astrophysical Journal pod naslovom “Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin” (Opažanja provala gama-zračenja kozmičkog podrijetla). Od tada astronomska zajednica zna za te najsilovitije događaje u svemiru.
Otkriće provale gama-zraka bilo je, dakle, slučajno. Takvi izvori nisu bili očekivani, nisu bili teorijski predviđeni. Međutim, bili su tu. Odmah se pojavio niz pitanja: Što su izvori provala gama-zraka? Koji procesi omogućuju njihovu emisiju i s kojim su kozmičkim objektima povezani? Radi li se o galaktičkim ili izvangalaktičkim izvorima? U prvom slučaju problem je bio taj što je razumijevanje galaktičkih izvora bilo potpuno neuskladivo s provalama gama-zraka. U drugom je pak slučaju bila potpuno neshvatljiva enormna snaga eventualnih izvangalaktičkih izvora. S obzirom na udaljenosti, luminoznost izvora morao bi biti puno veći od svega dosad poznatog.
Prvu važnu spoznaju o podrijetlu provala gama-zračenja donio je istraživački satelit CGRO (Compton Gamma Ray Observatory) koji je opažao visokoenergijske kozmičke gama-zrake od 1991. do 2000. godine. Jedan od njegovih instrumenata, BATSE (The Burst and Transient Source Explorer), bio je posvećen samo prolaznim izvorima poput provala gama-zračenja. U devet godina rada BATSE je prikupio dovoljno podataka da jasno pokaže da su provale gama-zračenja izotropni događaji – jednako su zastupljeni u svim smjerovima. Time je odbačena hipoteza galaktičkih izvora i pouzdano potvrđeno izvangalaktičko podrijetlo provala gama-zračenja.
Eksplozije hipernova
Doslovno stotine teorijskih modela bilo je predlagano za objašnjenje provala gama-zraka, primjerice sudari kometa s neutronskim zvijezdama. Međutim, bilo je teško testirati te modele s ono malo podataka dobivenih kratkotrajnim opažanjem gama-zraka. Prijelomni trenutak zbio se u veljači 1997. godine kad je talijansko-nizozemski satelit BeppoSAX uz provalu gama-zraka istovremeno detektirao rendgensko zračenje iz istog smjera. Intenzitet rengenskog zračenja nije se naglo prekinuo nego je polako slabio. Takva pojava, poznata kao ostatno tinjanje (engl. afterglow), je primjerice slična atmosferskom fenomenu crvenog neba neposredno nakon zalaska Sunca. Potom je optički teleskop William Herschel opazio da provale gama zračenja prati afterglow i u vidljivoj svjetlosti. Inače, afterglow je bio predviđen mnogim modelima i njegovo otkriće nije bilo neočekivano. Kad i vidljiva svjetlost iz smjera provale gama-zraka utrne onda preostaje daleka galaksija koju se može opaziti dugotrajnim snimanjima dubokog svemira.
Osim toga, vidljivi afterglow omogućio je direktno mjerenje kozmološkog pomaka crvenome (povećanja valne duljine svjetlosti zbog širenja svemira) iz kojeg se može odrediti udaljenost. Pokazalo se da su sve provale gama-zraka povezane s izvorima koji su na kozmološkim udaljenostima – udaljenostima usporedivim s veličinom svemira. Daljnje studije potvrdile su udaljenosti i luminoznosti provala gama-zraka. Kao njihovi izvori utvrđene se eksplozije vrlo masivnih zvijezda u dalekim galaksijama.
Hipernove, poznate i kao supernove tipa 1c, su iznimno velike zvijezde koje završavaju svoj život enormnom eksplozijom. Kao i kod svake supernove, vanjski slojevi zvijezde razlete se u okolni prostor, a unutrašnjost kolapsira stvarajući vrlo gusti ostatak. Kod običnih supernova taj ostatak je neutronska zvijezda. Međutim, kod hipernove središte, čini se, kolapsira direktno u crnu rupu. Mase zvijezda koje završavaju kao hipenove su od 100 do 300 masa Sunca. Energija koja se oslobađa pri eksploziji veća je od energije obične supernove oko 100 puta.
No, čak ni ta energija ne bi bila dovoljna da objasni intenzitet provala gama-zraka opaženih na Zemlji, kad bismo pretpostavili da se sva energija emitira izotropno (jedanko u svim smjerovima). Jedina pretpostavka koja može objasniti intenzitet gama-zraka iz hipernova je emisija u obliku mlaza (engl. jet). Mlazovi su, čini se, univerzalna pojava u svemiru. Spomenuli smo ih u prethodnom članku kao ključni dio aktivnih galaktičkih jezgara. Također smo rekli da postoji posebna skupina aktivnih galaktičkih jezgara, blazari, kod kojih je jedan od mlazova usmjeren točno prema Zemlji. Iso vrijedi i za hipernove. Mlazovi pri eksplozijama raznih hipernova mogu biti svakako usmjereni u odnosu Zemlju. No, provalu gama-zraka možemo opaziti jedino ako jedan mlaz gleda točno prema Zemlji.
Stapanja dviju neutronskih zvijezda
Provale gama-zraka mogu trajati od par desetaka milisekundi do par minuta, no tipično traju od 20 do 40 sekundi. Prema ukupnom trajanju i nekim drugim karakteristikama (recimo po obliku energijskog spektra i prema tome postoji li afterglow) sve se provale gama-zraka mogu podijeliti na: dugačke i kratke. Dugačke provale gama-zraka traju tipično 20 s i imaju afterglow u području nižih energija: redgenskom, ultraljubičastom, optičkom i infracrvenom području te u radiopodručju. Upravo je ta vrsta provala gama zraka identificirana s implozijama središta hipernova u crne rupe. Dugačke provale gama-zraka opažene do energija od čak desetak GeV. Stoga bi se, barem načelno, mogle detektirati Čerenkovljevim teleskopima koji imaju nizak energijski prag. Zasad postoji samo jedan takav teleskop, teleskop MAGIC, na kanarskom otoku La Palmi. Njime se, nakon dojave sa satelita, pokušava opaziti provala gama zračenja na energijama od desetak do 100 GeV. Dosad se nijedno takvo opažanje nije pokazalo dovoljno pouzdanim.
Kratke provale gama-zraka traju tipično 0,2 s, nemaju afterglow i puno su manje luminoznosti. I te su provale izvangalaktičkog podrijetla, ali imaju puno manji kozmološki pomak crvenome (dakle, njihovi izvori su nam bliže). S obzirom na velike razlike u karakteristikama, kratke provale gama-zraka očito imaju drukčije izvore. Tek prije par godina (u listopadu 2005. godine) pouzdano je ustanovljeno da kratke provale gama-zraka (ili barem većina njih) potječu od stapanja dvojnog sustava neutronskih zvijezda. Pri tom stapanju nastaje crna rupa, kao i kod eksplozije hipernove.
Dvojni sustavi zvijezda (dvije zvijezde koje se gibaju oko zajedničkog središta mase) prilično su uobičajena pojava u svemiru. Naše Sunce nije dio dvojnog sustava, no mnoge druge zvijezde jesu. Život dvojnog sustava može biti puno bogatiji od života zvijezde-samca. Ovisno o odnosu masa dviju zvijezda mogući su razni scenariji. Naime, duljina života zvijezda ovisi o njenoj masi. U dvojnom sustavu mase gotovo nikad nisu iste. Zato jedna zvijezda završi svoj životni ciklus ranije, a druga kasnije. Međutim, u fazi širenja (što nazivamo crvenim divom) moguć je veliki prijenos mase sa zvijezde na zvijezdu. No, zbog zakona očuvanja kutne količine gibanja nova masa oblikuje akrecijski disk, slično kao kod aktivnih galaktičkih jezgara. Također, formiraju se mlazovi pa sustav poprima izgled male aktivne galaktičke jezgre, recimo kvazara. Zato se te galaktičke objekte nazivamo mikrokvazarima.
Neki od takvih dvojnih sustava konačno završe kao dvije bliske neutronske zvijezde koje kruže jedna oko druge. Zbog izuzetno dinamičnog gibanja velikih masa u relativno malom prostoru nastaju periodična izobličenja prostor-vremena, odnosno javlja se emisija gravitacijskih valova. Gravitacijski valovi pomalo odnose energiju iz sustava pa se neutronske zvijezde međusobno približavaju i zapravo spiralno padaju jedna na drugu. Konačni ishod je sudar u kojem se dvije neutronske zvijezde stapaju. U završnoj, kratkotrajnoj fazi stapanja nastaje crna rupa te se emitira kratka provala gama-zraka.