Śmierć masywnej gwiazdy w głębi Wszechświata wpłynęła na ziemskie pioruny

Na początku października 2022 roku nad Ziemią przemknęła fala promieniowania wysokoenergetycznego, którego źródłem był rozbłysk gamma. Błyski gamma (gamma-ray bursts; GRB) to jedne z najbardziej katastrofalnych i gwałtownych zjawisk, jakie może zaoferować kosmos. Astronomowie szybko ustalili jego odległość: okazało się, że to najbliższe tego typu zjawisko, jakie do tej pory zaobserwowano – oddalone zaledwie o 2 mld lat świetlnych od Ziemi. Albo, jeśli wolicie, o 20 mld bln kilometrów, co stanowi całkiem sporą część średnicy obserwowalnego Wszechświata.

Dla astronomów określenie „blisko” ma specyficzne znaczenie. Tym razem było to tak blisko, że błysk został wykryty przez wiele obserwatoriów zarówno na Ziemi, jak i na orbicie, co pozwoliło na zebranie mnóstwa istotnych naukowych informacji. Jednak nawet mimo tej ogromnej w kategoriach ludzkich odległości był to najjaśniejszy wybuch, jaki kiedykolwiek zarejestrowano w zakresie rentgenowskim i gamma – wystarczająco jasny, aby ludzie mogli go dostrzec w świetle widzialnym za pomocą małych teleskopów amatorskich. Wywarł nawet fizyczny wpływ na naszą górną atmosferę, choć nie stanowił dla nas żadnego zagrożenia. Tak czy inaczej, cieszę się, że zachował dystans.

Błyski gamma to intensywne wybuchy promieniowania gamma – najbardziej energetycznej formy światła – które trwają zazwyczaj od ułamka sekundy do kilku minut. Stanowią dla astronomów zagadkę od czasów zimnej wojny. Pierwszy z nich został zarejestrowany w latach 60. przez umieszczone na orbicie detektory monitorujące testy broni jądrowej na Ziemi lub w atmosferze. Od tamtej pory zaobserwowano ponad 1700 błysków gamma, ale dopiero po kilkudziesięciu latach nauczyliśmy się je lokalizować na niebie wystarczająco dokładnie, by móc badać za pomocą bardziej konwencjonalnych teleskopów i poznawać ich naturę. Nawet wtedy okazało się to zadaniem skomplikowanym, ponieważ każdy GRB ma swoją specyfikę, co powoduje, że trudno wychwycić cechy wspólne dla całej grupy.

Mimo to nasze rozumienie ich podstawowych właściwości jest całkiem niezłe. Krótkotrwałe błyski – trwające zazwyczaj co najwyżej kilka sekund – powstają w wyniku zderzenia się dwóch bardzo gęstych gwiazd neutronowych, które doprowadza do gwałtownego wyrzutu energii, natomiast długotrwałe – trwające kilka minut – są wynikiem eksplozji kończących życie gwiazd masywnych. W trakcie tego procesu jądro gwiazdy zapada się i tworzy czarną dziurę, a wokół niej szybko formuje się wirujący dysk z materii, która nie została natychmiast przez czarną dziurę pochłonięta. Z dysku wylatują w przeciwnych kierunkach bliźniacze wiązki o wielkiej energii, jedna skierowana w górę, a druga w dół od płaszczyzny dysku. Wiązki te przebijają się przez umierającą gwiazdę i wydostają na zewnątrz, podczas gdy reszta gwiazdy eksploduje jako niezwykle silna supernowa.

Ilość energii zawartej w rozbłyskach gamma jest niemal niewyobrażalna: w ciągu kilku sekund emitują jej tyle, ile Słońce wyemituje przez całe swoje trwające 12 mld lat życie. Wielka moc wynika z silnego jej zogniskowania – większość energii wybuchu jest skupiona w bardzo wąskich wiązkach. Jeśli taka wiązka skieruje się w naszym kierunku, błysk promieniowania gamma będzie wystarczająco jasny, by dało się go wykryć nawet z odległości wielu miliardów lat świetlnych, natomiast poza nią wybuch wygląda jak typowa supernowa. Moc wybuchów jest wielka, ale w większości wydarzają się w tak dużej odległości od nas, że ich promieniowanie jest drastycznie osłabione i, aby w ogóle dało się je zobaczyć, potrzebny jest teleskop.

GRB 221009A, bo tak nazwano pierwszy rozbłysk gamma zaobserwowany w dniu 9 października, został wykryty przez czujniki umieszczone na orbitującym Kosmicznym Teleskopie Promieniowania Gamma Fermiego, przeznaczonym specjalnie do wykrywania i szybkiego lokalizowania GRB. Nawet jak na błysk długotrwały, trwał on niezwykle długo. Kolejny impuls promieniowania gamma został zauważony przez Obserwatorium Swift Neila Gehrelsa, inny znajdujący się na orbicie zestaw teleskopów służący do obserwacji rozbłysków. Ten drugi impuls pojawił się dopiero po niemal godzinie, znacznie później niż zwykle w przypadku takich zdarzeń. Fakt ten sugeruje, jak wielką mocą dysponował ten konkretny GRB.

Swift natychmiast wysłał automatyczne powiadomienie do astronomów na całym świecie, którzy błyskawicznie zareagowali, kierując swoje teleskopy w stronę wybuchu. Dzięki słabnącemu blaskowi światła widzialnego, wywołanego przez uderzenie wiązki w materię otaczającą umierającą gwiazdę, można było wyznaczyć kosmiczne przesunięcie ku czerwieni (zaczerwienienie światła spowodowane rozszerzaniem się Wszechświata), a tym samym odległość. Okazało się, że był to najbliższy nam GRB, jaki kiedykolwiek zaobserwowano.

Astrofizyk Rami Mandow poinformował na Twitterze, że w Indiach i w Niemczech detektory błyskawic wykazały, iż propagacja impulsów promieniowania elektromagnetycznego piorunów uległa nagłej zmianie w tym samym czasie, gdy energia GRB uderzyła w naszą planetę. Fakt ten wskazuje na zmianę warunków w górnej atmosferze Ziemi, w której elektrony zostały nagle oderwane od swoich atomów-gospodarzy. Promienie gamma jonizują atomy właśnie w taki sposób, wydaje się więc bardzo prawdopodobne, że ten wybuch fizycznie wpłynął na atmosferę naszej planety, choć tylko łagodnie i na krótko. Mimo to, jeśli wziąć pod uwagę odległość dwóch miliardów lat świetlnych od wybuchu, jest to niezwykłe zjawisko.

W przypadku tak bliskiego GRB astronomowie mogą analizować jego promieniowanie na wiele sposobów. Zazwyczaj promieniowanie GRB jest zbyt słabe, aby wychwycić szczegóły procesu, który do niego doprowadził. GRB 221009A może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć centralny silnik, czyli czarną dziurę, która tworzy się podczas wybuchu, a także niezwykle złożoną naturę procesów fizycznych zachodzących w jego trakcie.

Może on również dostarczyć informacji o Drodze Mlecznej. Obserwatorium Swift dostrzegło wokół GRB rozszerzające się pierścienie promieniowania rentgenowskiego. Efekt ten został wywołany przez obłoki pyłowe w Drodze Mlecznej znajdujące się w odległości od 600 do 12 000 lat świetlnych od Ziemi. Takie „echa świetlne” powstają wtedy, gdy promieniowanie trafia w obłoki znajdujące się tuż obok linii widzenia GRB – dlatego widzimy je z boku, obok jasnego punktu na niebie. Ze względu na krótki czas, jaki zajmuje światłu z wybuchu dotarcie do tych obłoków pyłu i rozproszenie go w naszym kierunku, dostrzegamy pierścienie świetlne poruszające się na zewnątrz od centrum, a ich tempo ekspansji jest związane z odległością od nas. Pomiar rozszerzania się tych pierścieni pozwolił astronomom określić odległości do obłoków.

Ogromny postęp w badaniach GRB rozpoczął się w latach 90., kiedy to po raz pierwszy wybuchy zostały zarejestrowane przez teleskopy optyczne, dzięki czemu można było wyznaczyć ich gigantyczne odległości. Mimo to wielu rzeczy nadal jeszcze nie rozumiemy. GRB 221009A jest wciąż obserwowany przez teleskopy na całym świecie i może okazać się kamieniem z Rosetty dla badań tych szalenie różnorodnych, dziwacznych zjawisk o kolosalnej energii.

***

Od redakcji: Jest to pierwszy z comiesięcznych felietonów astronoma i pisarza Phila Plaita. Plait pracował w zespole Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i napisał wiele książek i artykułów o kosmosie, w tym dla ScientificAmerican.com.