— Published on 22/11/2019 / Bug.hr.
Nakon 20 godina priprema i predanog traganja teleskopi MAGIC ostvarili su svoj krajnji cilj, detektirali su fotone vrlo visokih energija iz jedne spektakularne kozmičke eksplozije nazvane GRB 190114C
Dva članka koja je danas objavio Nature, najprestižniji znanstveni časopis na svijetu, vrhunac su karijere teleskopa MAGIC. Ti teleskopi, na kojima radi i grupa hrvatskih astrofizičara, bili su dizajnirani i izgrađeni s primarnim ciljem detekcije fotona najviših energija iz tajanstvenih kozmičkih procesa koje nazivamo provalama gama-zračenja (engl. gamma-ray burst).
Priča počinje krajem dvadesetog stoljeća kad je dio jedne istraživačke grupe, koja je radila na Čerenkovljevim teleskopima HEGRA, odlučio osmisliti Čerenkovljev teleskop iduće generacije, koji bi bio ne samo puno osjetljiviji nego i puno pokretljiviji. Pokretljivost je bila važna radi ostvarenja jedne ambiciozne ideje – detekcije fotona vrlo visokih energija iz provale gama-zračenja. Time bi se došlo do ključnih podataka za razumijevanje tog spektakularnog procesa, zagonetke koja je astrofizičare mučila već desetljećima.
Taj Čerenkovljev teleskop iduće generacije, nasljednik detekcijskog sustava HEGRA, nazvan je MAGIC. Projektni prijedlog „The MAGIC Telescope: Design study for the construction of a 17 m Čerenkov telescope for Gamma-Astronomy above 10 GeV” objavljen je u ožujku 1998. godine. Napisala ga je manja grupa znanstvenika od kojih su tek neki ostali u kolaboraciji MAGIC do danas. Bio sam u toj grupi, još kao student, zahvaljujući entuzijastima koji su imali viziju. Jedan od njih bio je moj tadašnji mentor Daniel Ferenc. Drugi je bio njemački fizičar Eckart Lorenz (1938. – 2014.).
Ecart Lorenz bio se zalagao se da konstrukcija novog teleskopa, koja nosi zrcala reflektora promjera 17 metara i kameru teleskopa od reflektora udaljenu otprilike 17 metara, bude izgrađena od cijevi koje nisu metalne nego napravljene od ugljikovih vlakana. To je i ostvareno. Na taj način masa grdosije od teleskopa bila je dovoljno smanjena, a teleskop postao dovoljno pokretljiv, da na satelitsku dojavu o provali gama-zračenja može hitro reagirati. Naime, provale gama-zračenja su vrlo kratkotrajni događaji pa teleskop mora svoj smjer opažanja promijeniti u desetak sekundi.
U spomenutom projektnom prijedlogu iz 1998. napisali smo: „Clearly the detection of only one Gamma-Ray Burst by the MAGIC Telescope and the measurement of its energy spectrum would have very important consequences for our understanding of the nature of this enigma” („Jasno je da bi detekcija samo jedne provale gama-zračenja teleskopom MAGIC imala izuzetno važne posljedice za naše razumijevanje prirode ove zagonetke”). Ta jedna, povijesna, provala gama-zračenja dogodila se dvadeset godina kasnije, 14. siječnja 2019. Datum je sadržan u nazivu događaja, GRB 190114C. Slovo C znači da je taj GRB bio treći po redu, prva dva su bili A i B, koji su satelitski detektori Swift i Fermi opazili taj dan. Par desetaka sekundi nakon dojave ovih satelita s opažanjima su započeli i zemaljski teleskopi MAGIC. I ranije su takve dojave dolazile, no MAGIC nije uspijevao ništa detektirati. Nikad ništa. A onda 14. siječnja 2019. odjednom jacpot.
.
Provale gama-zračenja – pola stoljeća na top-listi najmisterioznijih događaja u svemiru
Provale gama-zračenja su kratkotrajne i iznimno snažne eksplozije koje se događaju na kozmološkim udaljenostima. GRB 190114C potječe iz galaksije udaljene 4,5 milijardi svjetlosnih godina. To znači da je zračenje iz te eksplozije do teleskopa MAGIC putovalo toliko dugo koliko je otprilike star planet Zemlja. Energija koja se u toj eksploziji oslobodila u samo nekoliko sekundi usporediva je s ukupnom energijom koju naše Sunce emitira tijekom cijelog svojeg trajanja.
O kakvim se eksplozijama radi? Od prve detekcije provale gama-zračenja, 1967. godine, pa iduća tri desetljeća, sve do 1997. godine, provale gama-zračenja slovile su kao jedan od najvećih misterija astrofizike. Onda smo 1997. dobili prilično pouzdanu potvrdu da jednu vrstu provale gama-zračenja (a GRB 190114C je upravo te vrste) uzrokuje kolaps središta ogromne supernove, zvane hipernova, čime nastaje crna rupa. Poetičnije rečeno, GRB 190114C je bio smrtni krik jedne hipernove, ili prvi plač netom rođene crne rupe. Većina izbačene energije nije emitirana izotropno (jednako u svim smjerovima) kao kod primjerice Sunca, nego kolimirano (vrlo usmjereno), u obliku dva nasuprotna mlaza plazme koji se od središta eksplozije udaljavaju gotovo brzinom svjetlosti.
.
Teleskopi MAGIC – detektori kozmičkih gama-zraka koji su ostvarili svoju misiju
MAGIC je sustav dvaju Čerenkovljevih teleskopa smještenih na opservatoriju Roque de los Muchachos na vrhu kanarskog otoka La Palme, 2200 m nad morem. Prvi teleskop dovršen je 2004. godine i radio je u mono-modu sve do 2009. kad mu je pridružen i drugi teleskop. Od ljeta 2009. do danas teleskopi rade u stereo-modu. Opažaju kozmičke gama-zrake, ali neizravno, zahvaljujući Čerenkovljevoj svjetlosti koju u atmosferi stvara pljusak nabijenih čestica. Pljusak je pak potaknut upadom u atmosferu primarne kozmičke gama-zrake vrlo visokih energija, između 50 GeV i 30 TeV. Za usporedbu, foton vidljive svjetlosti ima energiju od približno jedan eV. Jedan GeV je milijardu puta veća energija, a jedan TeV je bilijun (milijun milijuna) puta veća energija. Ukratko, radi se o ogromnim energijama elektromagnetskog zračenja koje nastaju u „kozmičkim akceleratorima”, ekstremnim okruženjima koja su povezana s kompaktnim kozmičkim objektima poput neutronskih zvijezda i crnih rupa.
Kolaboraciju MAGIC danas čini 280 ljudi iz 12 zemalja. Jedna od tih zemalja je i Hrvatska. Na dva spomenuta rada u časopisu Nature sudjelovalo je 14 istraživača s pet hrvatskih institucija: FESB-a Sveučilišta u Splitu, FER-a Sveučilišta u Zagrebu, Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci, Odjela za fiziku Sveučilišta Josip Juraj Strossmayer u Osijeku te Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu.
O otkriću je izvjestilo doslovno stotine svjetskih medija i portala. I nekoliko domaćih. Bombastičnih naslova ima toliko da čovjeka glava zaboli. No, onaj tko želi objektivnu priču iz prve ruke i bez pretjerivanja ne treba ići po vodu preko vode, može se jednostavno napiti na izvoru. Izvorni članak o samom otkriću je Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C, a članak o zajedničkom opažanju s drugim teleskopima Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst. Postoji i lijepi sažetak svega u rubrici iz uredništva: Extreme emission seen from γ-ray bursts. A sažetak tog sažetka, ili „astrofizika za ljude žurbi” kako bi rekao Neil deGrasse Tyson, je ovaj: MAGIC-ova opažanja događaja GRB 190114C pokazuju da je od tri dosad ravnopravna modela emisije visokoenergijskih fotona u provali gama-zračenja preferiran jedan, poznat po kratici SSC. Još kraće: nismo znali kako točno nastaju fotoni najviših energija u nekoj provali gama-zračenja. Sad znamo.