Webb – extrémní gama záblesk

V říjnu loňského roku detekovalo několik kosmických observatoří, jako evropský INTEGRAL a americké Fermi a Swift gama záblesk GRB 221009A. Šlo o nejzářivější do té doby zaznamenanou událost tohoto typu. I zde jsme o ní již jednou hovořili, neboť záblesk pozoroval také slovenský cubesat GRBAlpha, o čemž jsem na našem webu vydal samostatný článek. GRB 221009A ale přímo v okamžiku exploze i nějakou dobu po ní sledovaly i další kosmické observatoře. I o jejich výsledcích má smysl hovořit a důkladně si je rozebrat. Dnes se proto podíváme na pozorování dosvitu tohoto mimořádného záblesku, které učinil Vesmírný dalekohled Jamese Webba.

Gama záblesky

Samotný fenomén gama záblesků je poměrně nový. Gama záření totiž známe jen od počátku 20. století a navíc víme, že jej velmi spolehlivě blokuje zemská atmosféra. Proto se první kosmické zdroje gama záření podařilo objevit až v době počátku kosmonautiky, konkrétně na počátku 60. let. Nutno dodat, že v tomto případě teorie značně předběhla experimenty, někteří fyzikové totiž předpovídali existenci kosmických zdrojů gama záření už na konci 40. a počátku 50. let. Navíc Explorer 11, první družice schopná detekovat kosmické gama záření, nalezl pouhých 100 gama fotonů.

Situace se zlepšila až ke konci 60. let, kdy došlo v rozmezí několika let k řadě průlomů. Za prvé byl zmapován vesmír v oblasti gama záření a identifikována celá řada zdrojů zářících v této části elektromagnetického spektra. Za druhé došlo k detekci gama záření ze Slunce, konkrétně ze slunečních erupcí. A konečně, za třetí se díky družicím projektu Vela, který byl zaměřen na zjišťování a sledování utajovaných testů jaderných zbraní, povedlo detekovat gama záblesky.

Družice Vela provozovala americká armáda, takže celou věd nejprve prošetřovali armádní experti, ale když určili, že zdroje těchto masivních vzplanutí gama záření pochází z vesmíru, předali svá zjištění fyzikům, kteří je začali intenzivně zkoumat. Bádání nejprve probíhalo poměrně pozvolna, ale od 90. let se díky nové generaci kosmických observatoří podařilo rozjet ve velkém. Brzy se podařilo určit, že gama záblesky jsou skutečně nejmasivnější a nejenergetičtější události ve známém vesmíru, fyzikové také získali větší statistiku a mohli proto říci, že k nám přichází rovnoměrně z celé oblohy.

A nakonec se povedlo též rozlišit dva typy gama záblesků, krátké a dlouhé. U krátkých se dnes už ví, že jsou způsobovány srážkami neutronových hvězd. Dlouhé jsou naopak generovány výbuchy mimořádně masivních hvězd na konci jejich života, tzv. hypernovami nebo též kolapsary. Dlouhé gama záblesky jsou četnější (tvoří asi 70 % všech událostí tohoto typu) a mívají obecně vyšší zářivý výkon. Nejenergetičtější známé gama záblesky patří právě do této kategorie a to včetně GRB 221009A.

Jedná se o záblesky, které trvají dvě sekundy nebo více. Převážně je pozorujeme ve vzdálenějším vesmíru, tím míním miliardu světelných let od nás nebo více. Přesto řadu z těchto událostí můžeme poměrně snadno zaznamenat. Dlouhý gama záblesk totiž může být klidně jasnější, než všechny další hvězdy jeho galaxie dohromady. Typickým příkladem je padesát sekund trvající záblesk GRB 080319B, který dosáhl ve viditelné části spektra magnitudy 5,7, takže byl za dobrých podmínek viditelný pouhým okem. A to i přesto, že jeho vzdálenost činila 7,5 miliardy světelných let. Kdyby byl na místě Slunce, viděli bychom jej jako událost magnitudy minus 67,57, tedy 21 biliard krát jasnější než Slunce.

GRB 221009A

I když byl ale gama záblesk GRB 080319B (GRB je gamma-ray burst, tedy gama záblesk, 080319 značí datum objevu, tedy 19. března 2008 a písmeno B symbolizuje, že jde o druhý ten den objevený gama záblesk) mimořádně silný, stále se nemohl rovnat loňskému záblesku GRB 221009A. Detekovaly jej 9. října 2022 observatoře INTEGRAL (ESA), Swift a Fermi (obě NASA). Astronomové na místo zdroje intenzivního záření rychle obrátili i další družice jako XMM-Newton, Spektr-RG, IXPE, Solar Orbiter, GRBAlpha nebo detektory NICER a MAXI umístěné na Mezinárodní kosmické stanici.

Skoro od první detekce GRB 221009A bylo jasné, že tentokrát přišel mimořádný gama záblesk. Proto se na něj brzy zaměřily i některé pozemní observatoře. Astronomové z Radbout University a Cosmic Dawn Center využili služby čtyř osmimetrových teleskopů VLT umístěných v Chile v nadmořské výšce 2635 metrů nad mořem na hoře Cerro Paranal. Ty patří pod Evropskou jižní observatoř, takže se s nimi můžete v ČR jakožto zapojené zemi poměrně často setkat.

Na VLT je umístěný spektrograf X-shooter s jehož pomocí skupina změřila vzdálenost GRB 221009A. Ukázalo se, že hostitelská galaxie leží asi 1,9 miliardy světelných let daleko. To vám sice může připadat jako obrovská vzdálenost, faktem ale je, že na poměry gama záblesků je to naopak velmi blízko. GRB 221009A je tak dnes jeden z nejbližších známých dlouhých gama záblesků.

Navíc byli schopni vcelku přesně určit energii záblesku. Že jsou gama záblesky hodně zářivé víme a nikoho to nemůže moc překvapit, ale tento byl i na poměry takovýchto událostí neobvyklý. Během 290 sekund uvolnil asi 1000 krát více energie, než vyzářilo Slunce za celou dobu své existence, tedy asi za 4,6 miliardy let. Po oněch 290 sekund byl záblesk rovněž jasnější, než všechny hvězdy Mléčné dráhy dohromady.

To platí za předpokladu, že záblesk vyzařuje energie rovnoměrně ve všech směrech. My dnes už víme, že tomu tak pravděpodobně není a energie se uvolňuje spíše ve dvou relativně úzkých výtryscích. Abychom záblesk viděli, musíme ležet poblíž směru jednoho z těchto relativistických výtrysků. Celková energie proto byla o něco menší, ale stále obrovská. Ostatně, už družice Fermi zachytila fotony s energií 100 GeV, čínská observatoř LHAASO pak detekovala fotony s energií až 18 TeV (pro srovnání CERN generuje 14 TeV) a ruský detektor Carpet-2 našel možná dokonce foton o energii 251 TeV.

GRB 221009A nebyl v absolutních číslech nejsilnějším v historii zachyceným gama zábleskem. Ale díky kombinací svítivosti a blízkosti k Zemi šlo o nejjasnější zaznamenaný gama záblesk. Alespoň tedy v oblasti rentgenového a gama záření, kde se jednalo o nejjasnější gama záblesk, který se objevil od počátku lidské civilizace, tedy za několik tisíc let.

Ve skutečnosti byl asi 70 krát jasnější, než GRB 830801, předchozí držitel rekordu. Není proto divu, že událost získala od fyziků přezdívku BOAT, což znamená Brightest of All Time (Nejjasnější v historii). Pomocí detektorů v Indii a Německu se dokonce podařilo zjistit, že tento gama záblesk na několik hodin mírně narušil ionosféru, jednu z vrstev zemské atmosféry, a to i přesto, že zdroj ležel v obrovské vzdálenosti téměř dvou miliard světelných let.

Podle astronomů bychom měli událost podobné intenzity zachytit jen jednou za asi 10 000 let. Přitom ale gama záblesky známe a pozorujeme jen necelých 60 let. To vyvolává otázky. Jde o čisté štěstí a náhodu, že jsme detekovali takový gama záblesk hned na začátku našeho pozorovacího období. Nebo jde o nějaký náznak, že nerozumíme povaze gama záblesků tak dobře, jak bychom si rádi mysleli? Čekají nás nové objevy na poli astrofyziky? A skrývá se zde nová fyzika za standardním modelem částicové fyziky. To zatím bohužel nevíme, musíme vyčkat na podrobnější analýzy.

Pozorování Webbova dalekohledu

Gama záblesk GRB 221009A se projevil v podstatě ve všech oblastech elektromagnetického spektra, od gama záření až po rádiové vlny, což nabízí vzácnou možnost širokopásmového průzkumu zdroje gama záblesku. Není proto divu, když se vědci rozhodli, že by jej mohli nasnímat taktéž Webbovým teleskopem, který pracuje v oblasti blízkého s středního infračerveného záření. Vzhledem k významu události se podařilo získat pozorovací čas pro tým složený z odborníků převážně z Radbout University (částečně se personálně překrýval s týmem pozorujícím teleskopy VLT).

Webbův dalekohled při tomto měření opět naplno ukázal svoji užitečnost. Zdroj gama záblesku se totiž nacházel za dosti silnou vrstvou kosmického prachu patřícího k Mléčné dráze. Ten na některých vlnových délkách tlumí světlo výbuchu, což ztěžuje interpretaci výsledků. Webb ale oblast prohlédl přístrojem MIRI ve střední infračervené oblasti, což dovolilo událost mnohem lépe charakterizovat.

Webbovu teleskopu se ale podařilo pomocí přístroje NIRCam zachytit tzv. dosvit tohoto gama záblesku. Oč jde? Po prvotním mimořádně jasném záblesku často následuje ještě pomalu slábnoucí emise záření, která se projevuje na delších vlnových délkách, než samotný záblesk. Dosvit může být po hlavní explozi viditelný desítky minut, ale několik dní. V případě GRB 221009A se jej podařilo, společně s mateřskou galaxií, vyfotografovat Webbovu dalekohledu.

Dosvit ale zachytil zhruba dvacet hodin po prvotním výbuchu též teleskop Swift. Ten totiž pracuje v rentgenové oblasti, kde byl tento konkrétní dosvit mimořádně jasný. Na snímku této observatoře vidíme soustředné pásy rentgenových paprsků, přičemž samotný gama záblesk najdeme ve středu. GRB 221009A je teprve sedmým gama zábleskem v historii o němž je známo, že generoval prstence rentgenového záření. A stejně jako byl samotný gama záblesk mimořádně jasný, to stejné platí i o jeho dosvitu, jenž dosáhl v rentgenové oblasti stokrát vyššího jasu, než kterýkoliv dřívější zdroj.

Ale ani Webb a Swift nejsou všemocné. Jak už víme, obecně uznává to, že dlouhé gama záblesky způsobují velmi masivní supernovy nazývané též hypernovy nebo kolapsary. Jenže u GRB 221009A vědci ani při sebevětší snaze nemohli žádný solidní důkaz pro přítomnost supernovy či hypernovy najít. Proč? To zatím nevíme.

A je otázka, kdy se nám to podaří spolehlivě objasnit, neboť statisticky (viz výše) bychom dalších několik tisíc let žádnou další podobnou událost zachytit neměli. Sice určitě detekujeme spoustu dalších dlouhých gama záblesků, je ale otázka nakolik nám to pomůže v odhalení příčin takto extrémní události. Sice se stále jedná o dlouhý gama záblesk, takže by zde měla být souvislost, nemůžeme ale vyloučit, že se u takto výjimečné (pokud je skutečně výjimečná) a energetické události vyskytuje nějaká nová dosud neznámá fyzika.

Stojí za GRB 221009A supernova?

Neschopnost detekovat u GRB 221009A supernovu rozproudila v astronomické komunitě množství debat. Byla snad supernova u tohoto konkrétního záblesku mimořádně slabá? Pokud ano, bylo by trochu zvláštní, že zrovna tak slabá supernova by generovala takto jasný záblesk, ale možná se zde uplatňuje nám nějaký zatím neznámý fyzikální mechanismus. Nebo snad supernova chyběla úplně? Nebo se jen špatně díváme a supernova je přítomna? A pokud ano, způsobil gama záblesk samotný výbuch hvězdy a nebo případně až o něco pozdější přeměna neutronové hvězdy na černou díru?

Někteří astronomové se domnívají, že je správně ta nejjednodušší možnost. GRB 221009A způsobila supernova, podobně jako téměř všechny další dlouhé gama záblesky, ale její záře byla utopena v jasu samotného záblesku. Mezinárodní tým astronomů studoval záblesk více než dva měsíce. Nedávno došlo na publikaci jejich práce, v níž se uvádí, že skutečně našli důkazy o podpisu supernovy ve světelné křivce záblesku.

Pokud by se jim to skutečně podařilo, jednalo by se o obdivuhodný úspěch. S ohledem na jas záblesku GRB 221009A jde totiž o mimořádně obtížný úkol. Není proto divu, že astronomové zodpovědní za tuto studii použili například teleskop PanSTARRS na Havaji a řadu dalších špičkových zařízení, aby mohli místo záblesku důkladně prozkoumat, v čemž pokračovali až do prosince, kdy dalšímu pozorování zabránilo Slunce. Tým tvrdí, že i když je signál supernovy ve světle záblesku slabý, jsou schopni jej velmi dobře rozpoznat.

Na tomto místě je nutné si objasnit jednu věc. Proč když stojí za dlouhými gama záblesky supernovy, respektive hypernovy, hovoříme o signálu záblesku a signálu supernovy zvlášť? Když hmotná hvězda zkolabuje na černou díru nebo nejprve na neutronovou hvězdu (ta se může později také změnit na černou díru), dojde k vytvoření akrečního disku materiálu kolem neutronové hvězdy či černé díry a též k vyvržení relativistických výtrysků rychlostí velmi blízkou rychlosti světla. Tyto výtrysky pozorujeme jako dlouhý gama záblesk (jak přesně vznikají by bylo na delší rozbor, což si necháme na příště).

Je zde ale také materiál vyvržený mnohem pomaleji, konkrétně rychlostí několika desítek tisíc kilometrů za sekundu. To se nám sice může zdát hodně, avšak ve srovnání s rychlostí světla je to jen vcelku malý zlomek. Tento materiál narazí do mezihvězdného prostředí v okolí zdroje, zahřeje se a vytvoří velmi jasný signál, jenž registrujeme jako vzplanutí supernovy. Proto signál samotné supernovy obvykle pozorujeme až nějakou dobu po samotném záblesku, ve chvíli, kdy jas dodaný relativistickými výtrysky klesá.

V několika případech se u dlouhého gama záblesku nepovedlo zjistit žádný důkaz přítomnosti supernovy. To byly ale zvláštní případy. Astrofyziky proto zajímá, zda tento mimořádně jasný gama záblesk spadá mezi výjimky a nebo naopak splňuje naše očekávání. Po pečlivé analýze zjistili experti z University of Cardiff, že ve světelné křivce GRB 221009A skutečně dokáží známky supernovy rozeznat. K témuž závěru dospěl nezávisle ještě jeden další tým.

Některé další týmy ale hlásí negativní výsledky, a to i když použili data například z Webbova dalekohledu a dalších moderních přístrojů. Astronomové se proto nyní budou snažit provést ještě důkladnější analýzu dostupných dat. Když se zkombinují pozorování shromážděná všemi týmy, získáme výrazně bohatší a přesnější soubor údajů o světelné křivce GRB 221009A.

A až se vynoří část oblohy, kde je GRB 221009A, opět vynoří zpoza Slunce, mohou na místo zdroje astronomové znovu zaměřit své přístroje, aby získali hlubší a detailnější snímky oblasti. Kupříkladu rádiové záření z události by mělo být pozorovatelné ještě několik let. Díky tomu bude možné určit vývoj zdroje a získat data potřebná k odečtení od světelné křivky gama záblesku. Zjistíme tak, zda byl proklamovaný signál supernovy skutečný, nebo šlo jen o chybu měření.

Protože to zatím s jistotou neumíme určit, objevují se ohledně GRB 221009A už i poněkud exotičtější varianty. Někteří fyzikové spekulují, že za zábleskem stojí fyzikální procesy zahrnující temnou hmotu (ať už je to cokoliv), axiony nebo sterilní neutrina (v obou případech jde o hypotetické částice temné hmoty). Důkazy pro tyto spekulativní varianty chybí. Současně ale chybí také důkazy pro supernovu a fyzikové nedetekovali ani zvýšený tok neutrin očekávaný v případě exploze supernovy.

Závěr

GRB 221009A zůstane zřejmě ještě na chvíli záhadou. Musíme doufat, že dokážeme zachytit co nejvíce co nejenergetičtějších dlouhých gama záblesků, což by nám mohlo v rozřešení této otázky pomoci. O gama záblescích totiž ještě ani zdaleka nevíme všechno. A to je dobře, protože i další generace fyziků a astronomů potřebují mít témata k výzkumu i přemýšlení.

Použité a doporučené zdroje

• ESA Webb: https://esawebb.org/
• NASA Web: https://webb.nasa.gov/
• Webb Telescope: https://webbtelescope.org/

Zdroje obrázků

• https://pbs.twimg.com/media/FewmxuOWQAA04NT.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/72/Explorer_11_ground.gif
• https://scienceandsf.com/wp-content/uploads/2019/09/5102648758_6367a034f1_b.jpg
• https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/images/burst_durations_labelled.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/32/GRB_080319B.jpg
• https://cdn.eso.org/images/screen/paranal-vlt.jpg
• https://www.appec.org/wp-content/uploads/2021/07/overview.jpg
• https://hips.hearstapps.com/hmg-prod/images/boat-in-context-1080-nasa-s-goddard-space-flight-center-and-adam-goldstein-usra-64245cd00b751.jpeg?resize=980:*
• https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11296_2e-GRB-221009A.jpg
• https://astrobites.org/wp-content/uploads/2023/03/Screenshot-2023-03-20-094327-1024×512.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f3/GRB_221009A_JWST_NIRCam.png/800px-GRB_221009A_JWST_NIRCam.png
• https://news.wisc.edu/content/uploads/2023/03/rings-775×749.jpg
• https://aasnova.org/wp-content/uploads/2019/06/collapsar.jpg
• https://www.researchgate.net/publication/367461856/figure/fig1/AS:11431281115188769@1674793571665/A-multi-panel-plot-of-the-light-curve-of-GRB-221009A-in-microJanskys-with-the-X-ray.ppm
• https://stsci-opo.org/STScI-01EVSWS9SAC9Q1CXXNK1FE8YPV.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/22/Gamma-ray-burst-Mechanism.jpg/1280px-Gamma-ray-burst-Mechanism.jpg
• https://cdn.spacetelescope.org/archives/images/screen/opo0620h.jpg
• https://www.dostor.org/Upload/libfiles/411/2/118.jpg