HRVATSKI ZNANSTVENICI SUDJELOVALI U SVJETSKI VAŽNOM OTKRIĆU Po prvi put su detektirali fotone najviših energija u bljesku gama-zraka

Provale gama-zraka (eng. gamma-ray burst, GRB) kratke su i izuzetno snažne kozmičke eksplozije, koje se iznenada pojavljuju na nebu, otprilike jednom dnevno. Smatra se da su posljedica kolapsa masivnih zvijezda ili spajanja neutronskih zvijezda u dalekim galaksijama. Započinju vrlo sjajnim bljeskom, koji se naziva promptna emisija, a traje od djelića sekunde do nekoliko stotina sekundi. Promptna emisija popraćena je takozvanim popratnim sjajem (eng. afterglow) manjeg intenziteta, ali dugotrajnijim i emitiranim u širokom rasponu valnih duljina. Teleskopi MAGIC detektirali su GRB oznake 190114C, i tako prvi put utvrdili da GRB emitira fotone vrlo visokih (TeV) energija.

Ovo iznimno važno otkriće kolaboracije MAGIC, pruža novi značajni uvid u razumijevanje fizičkih procesa koje dovode do provala gama-zraka. Naime fotoni detektirani teleskopima MAGIC potječu iz dosad neopaženih procesa u popratnom sjaju i jasno se razlikuju od fizičkih procesa koju su nam otprije poznati i za koje se zna da su odgovorni za emisiju pri nižim energijama

Detekcija MAGIC-a i opažanja GRB 190114C na različitim valnim duljinama

Dana 14. siječnja 2019. godine, GRB su neovisno otkrila dva svemirska satelita: Neil Gehrels Swift Observatory i Fermi Gamma-ray Space Telescope. Događaj je dobio oznaku GRB 190114C, a u roku od 22 sekunde njegove su koordinate na nebu elektroničkim putem distribuirane astronomima širom svijeta, uključujući kolaboraciju MAGIC, koja upravlja dvama Čerenkovljevim teleskopima, promjera 17 m na kanarskom otoku La Palma u Španjolskoj. Budući da se GRB-ovi pojavljuju na nepredvidivim mjestima na nebu, a zatim brzo zgasnu, njihovo promatranje teleskopima poput MAGIC-a zahtijeva posebnu strategiju opažanja.

Automatski sustav u stvarnom vremenu analizira zaprimljena GRB upozorenja sa satelitskih instrumenata te brzo usmjerava teleskope MAGIC prema GRB. Teleskopi su dizajnirani, još prije petnaest godina, tako da se mogu brzo preusmjeriti: iako svaki od teleskopa teži 64 tone, mogu započeti promatranje bilo kojeg položaja na nebu za samo 25 sekundi. MAGIC je uspio započeti promatranje GRB 190114C samo 50 sekundi nakon prve satelitske detekcije GRB.

MAGIC

Dana 14. siječnja 2019. godine teleskopi MAGIC detektirali su gama-zrake do sada najvećih energije u provali gama-zraka (GRB). MAGIC je počeo promatrati GRB samo 50 sekundi nakon što je otkriven zahvaljujući dojavi o položaju NASA-nih svemirskih detektora Fermi i Swift (gore lijevo i desno, na ovoj slici). Gama-zrake koje je detektirao MAGIC (dolje desno) imaju energiju i do 10 puta veću od sada detektiranih

Analiza podataka prikupljenih u prvih desetak sekundi otkrila je emisiju fotona iz popratnog sjaja energije teraelektronvolta (TeV), što je tisuću milijardi puta veće od energije fotona vidljive svjetlosti. Za to vrijeme, emisija TeV fotona iz GRB 190114C bila je 100 puta intenzivnija od najsjajnijeg poznatog stalnog izvora gama-zraka, maglice Rakovice na TeV energijama. Tako je trenutno GRB 190114C rekorder - najsjajniji poznati izvor TeV fotona. Prema očekivanjima, popratni sjaj iz GRB na najvišim energijama je brzo slabio, slično otprije poznatom ponašanju popratne emisije na nižim energijama. Teleskopi MAGIC zadnji sjaj zabilježili su pola sata nakon početka opažanja.

Kolaboracija MAGIC je nakon pažljive preliminarne analize prikupljenih podataka po prvi put nedvosmisleno detektirala fotone energije TeV u bljesku gama-zraka te otkriće obznanila međunarodnoj zajednici astronoma, samo nekoliko sati nakon dojave sa satelita. To je omogućilo opsežnu kampanju opažanja GRB 190114C preko čitavog elektromagnetskog spektra pomoću više od dvadeset opservatorija i instrumenata stvarajući sliku ovog GRB-a od radiovalova pa sve do gama-zraka energije TeV. Opažanja u svim dijelovima spektra dala su informaciju o fizičkim procesima u GRB, dok su optička opažanja omogućila i mjerenje udaljenosti GRB 190114C. Utvrđeno je da se ova provala gama-zraka zbila u galaksiji toliko udaljenoj da je svjetlosti trebalo 4,5 milijarde godina da dođe do nas.

Fotoni najviših energija iz novootkrivenog procesa emisije

Iako su teorijska razmatranja predviđala prisustvo fotona energije TeV u popratnom sjaju GRB-a, signal na tim energijama dugo je izmicao detekciji, unatoč brojnim opažanjima posljednjih desetljeća različitim instrumentima, uključujući i teleskope MAGIC.

“Više od 50 godina nakon otkrića prvih GRB-a, mnogi od njihovih temeljnih aspekata i dalje ostaju nejasni", kaže Razmik Mirzoyan, glasnogovornik kolaboracije MAGIC. ”Otkrivanje emisije gama-zraka iz GRB 190114C u novom, TeV prozoru elektromagnetskog spektra, ukazuje da su GRB eksplozije još snažnije nego što se do sada mislilo. Bogatstvo novih podataka o GRB 190114C prikupljenih MAGIC-om, i opsežna naknadna opažanja drugim instrumentima izvor su važnih informacija za razumijevanje fizičkih procesa koji dovode do provale gama-zraka.”

Nikola Godinović voditelj hrvatske MAGIC grupe pojašnjava: ”Kada bi bile vidljive našim očima provale gama-zraka bi, za vrijeme par sekundi maksimalnog sjaja, zasjenile sve ostale izvore na cijelom nebu. Nakon toga njihov sjaj satima, pa i danima, polako trne, dok u potpunosti ne zgasne. Kao da je netko upalio ogromnu vatru koja brzo zgasne, a onda žeravica još sjaji danima ...”

MAGIC

Nikola Godinović

Koji fizički mehanizam stoji iza proizvodnje fotona energije TeV koje je MAGIC napokon otkrio? Željka Bošnjak koja se bavi teorijskim modelima nastanka GRB naglašava: “Do sada se za objašnjenje opaženog spektra najčešće predlagalo sinkrotronsko zračenje koje potječe od visokoenergetskih elektrona koji se gibaju u magnetskom polju, no opažene TeV energije fotona nije moguće objasniti u ovom modelu. Potreban je dodatni proces emisije zračenja. Najvjerojatnije se ovdje radi o inverznom Comptonovom procesu, u kojem dolazi do prijenosa energije s relativističkih elektrona na fotone nižih energija.”

Komparativna analiza svih prethodnih praćenja GRB-a MAGIC-om ukazuje kako GRB 190114C nije bio jedinstven događaj, osim po svojoj relativnoj blizini (svjetlosti je trebalo 4,5 milijarde godina da dođe do Zemlje). Uspješna detekcija ostvarena je zahvaljujući izvrsnim performansama teleskopa MAGIC. “Podaci prikupljeni MAGIC-om ključni su za razumijevanje mehanizma GRB. Uz to, iznimno su korisni za testiranje fundamentalnih fizikalnih zakona.”, kaže Tomislav Terzić, koordinator radne grupe koja prikupljene podatke koristi za eksperimentalno proučavanje teorija kvantne gravitacije. “Signal iz GRB 190114C koristimo kako bismo ispitali kreću li se fotoni energije TeV kroz svemir jednako kao i oni nižih energija.”

MAGIC

Tomislav Terzić

Što su provale gama-zraka?

Ekstragalaktičke provale gama-zraka prvi je sretnom slučajnošću otkrio 1967. godine sustav američkih špijunskih satelita Vela, nadgledajući područje bivšeg Sovjetskog Saveza ne bi li detektirao gama-zrake koje nastaju prilikom eksplozije nuklearne bombe. Sustav satelita Vela nije uočio gama-zrake iz eksplozija nuklearne bombe ali je uočio fenomen nazvan “Gamma-Ray Burst” – provala gama-zraka. Zanimljivo, da je prvi znanstveni članak o GRB kozmičkog porijekla objavljen tek 1973. godine, nakon što su do tada prikupljeni podaci postali javno dostupni.

Provale gama-zraka (GRBs) su kratke i izuzetno snažne eksplozije na kozmološkim udaljenostima. U nekoliko sekundi oslobode energiju usporedivu s energijom koju emitira naše Sunce tijekom svog cijelog životnog vijeka (oko 10 milijardi godina). Smatra se da su posljedica kolapsa masivnih zvijezda na kraju svog života, ili spajanja binarnih sustava kompaktnih objekata poput neutronskih zvijezda. Takvi sustavi mogu stvoriti uski mlaz plazme koji se izbacuje brzinom bliskom brzini svjetlosti.

GRB-ovi započinju promptnom emisijom, bljeskom kojeg većinom sačinjavaju fotoni energija od keV (X-zrake) do MeV (milijun puta veće energije od fotona vidljive svjetlosti). Trajanje ove faze može varirati od djelića sekunde do stotine sekundi, a pokazuje nepravilnu promjenjivost na vremenskim skalama milisekunde. Smatra se da promptna emisija nastaje u području unutar samog uskog mlaza plazme. Za opis nastanka emisije zračenja predloženo je nekoliko modela, no temeljni mehanizam još uvijek ne razumijemo u potpunosti.

Brzu (promptnu) emisiju slijedi popratni sjaj (eng. afterglow), manje sjajna emisija koja slabi tijekom dužeg vremenskog razdoblja. Prevladavajuće razumijevanje je da popratni sjaj potječe od udarnog vala uzrokovanog interakcijom relativističkog mlaza i plina iz okoline. Popratni sjaj čine fotoni iz gotovo cijelog elektromagnetskog spektra od radio, infracrvenog, optičkog, ultraljubičastog i rendgenskog područja pa sve do gama-zraka energija GeV (milijardu puta veće energije od vidljive svjetlosti). Vjeruje se kako je uglavnom uzrokovan elektronima visokih energija, koji se ubrzavaju u udarnim valovima. Elektroni se gibanju po spiralnim putanjama u okolnom magnetskom polju, pri čemu emitiraju sinkrotronsko zračenje. Optički popratni sjaj se koristi za mjerenje udaljenosti događaja, a ukazuje da se GRB-ovi obično javljaju u galaksijama vrlo udaljenim od naše galaksije, Mliječne staze.

MAGIC

Ilustracija mehanizma nastanka provale gama-zraka (GRB)

Trenutak i mjesto nastanka GRB nije moguće predvidjeti. Samo instrumenti koji prate cijelo nebo mogu ih učinkovito otkriti i brzo distribuirati odgovarajuće informacije o njihovoj pojavi. Teleskopi s relativno ograničenim vidnim poljem poput MAGIC-a mogu najučinkovitije promatrati GRB-ove kada im drugi instrumenti dojave koordinate događaja.

Kolaboracija MAGIC

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) je sustav dva teleskopa promjera zrcala 17 metara koji se nalaze na 2200 metara nadmorske visine u opservatoriju El Roque de los Muchachos (ORM), na kanarskom otoku La Palma, Španjolska. Ovi pionirski teleskopi dizajnirani su za otkrivanje gama-zraka vrlo visokih energija u rasponu od 30 GeV do više od 50 TeV, koristeći tehniku snimanja slike Čerenkovljevog zračenja u atmosferi. Teleskopima MAGIC upravlja međunarodna kolaboracija od oko 280 ljudi iz 12 zemalja, uključuje znanstvenike, inženjere i tehničare.

Doprinos hrvatske MAGIC grupe

Radove u časopisu Nature supotpisuju znanstvenici s pet hrvatskih institucija: Sveučilište u Splitu - FESB (Nikola Godinović - voditelj grupe, Damir Lelas, Ivica Puljak, Darko Zarić); Sveučilište u Rijeci, Odjel za fiziku (Dijana Dominis Prester, Marina Manganaro, Saša Mićanović, Tomislav Terzić), Sveučilište u Zagrebu - FER (Ana Babić, Željka Bošnjak, Stefan Cikota); Institut Ruđer Bošković (Tihomir Surić, Iva Šnidarić) i Sveučilište u Osijeku Josip Juraj Strossmayer, Odjel za fiziku (Dario Hrupec).

Članovi hrvatske MAGIC grupe doprinijeli su na više načina ovom iznimno važnom otkriću prisustva gama-zraka energije TeV u popratnom sjaju GRB-a. Saša Mićanović je bio član tima koji je u noći 14. siječnja 2019. godine, na opservatoriju prikupio podatke. Promptnom analizom utvrđena je detekcija u području gama-zraka energija od stotinjak GeV pa sve do TeV. Obavijest je hitno poslana astronomima diljem svijeta koji su nastavali opažati taj dio neba radi detaljnog studiranja popratnog sjaja u čitavom elektromagnetskom spektru.

Kako je naša grupa u kolaboraciji MAGIC zadužena za provjeru kvalitete prikupljenih podataka i za detaljno praćenje performansi teleskopa, Ana Babić i Darko Zarić su napravili detaljnu analizu performansi teleskopa, potrebnih za određivanje parametara analize signala u kojoj su u najvećoj mogućoj mjeri iskorišteni svi prikupljeni podaci. Željka Bošnjak je sudjelovala u razvoju teorijskog modela GRB-a i procesa koji dovode do emisije gama-zraka energija po prvi put detektiranih teleskopima MAGIC. Detekcija snažnog kratkotrajnog bljeska gama-zraka energije TeV omogućuje ispitivanje fundamentalnih prirodnih zakona. Različite teorije kvantne gravitacije predviđaju narušenja poznatih zakona fizike. Prema tim teorijama fotoni vrlo visokih energija gibaju se drukčije od fotona niskih energija. Ovu studiju ispitivanja mjerljivih efekata teorija kvantne gravitacije unutar kolaboracije MAGIC vodi Tomislav Terzić.