GRBAlpha – nejjasnější gama záblesk

Elektromagnetické záření dělíme podle energie na několik druhů. Viditelné světlo známe od nepaměti, avšak mnohé další typy tohoto záření byly objeveny až v 19. nebo 20. století. Například nejenergetičtější záření gama objevil Paul Villard v roce 1900. Postupem času si všechny druhy elektromagnetického záření našly cestu i do kosmického výzkumu. Pro gama paprsky je to dokonce jediná cesta, neboť jeho vlnové délky atmosféra k povrchu Země téměř vůbec nepropouští. Postupem času se v kosmickém prostoru vystřídala řada důležitých družic specializovaných na gama astronomii. Za všechny jmenujme alespoň observatoře Compton a stále aktivní Fermi.

Gama záblesky

Američané v 60. letech vypustili do kosmického prostoru trojici družic Vela, jejichž hlavním cílem bylo pátrání po utajovaných sovětských jaderných testech. Ve druhé polovině desetiletí skutečně tyto družice viděly výbuchy o obrovských energiích. Brzy se ale ukázalo, že nejde o jaderné testy, nýbrž zdroje kosmického původu, proto armáda v roce 1973 předala informace vědcům, kteří mohli začít s intenzivním výzkumem gama záblesků (jak byly tyto události pojmenovány).

Od té doby jsme detekovali obrovské množství podobných zdrojů. Pro představu, moderní družice jako jsou výše zmíněná Fermi nebo observatoř Swift dokážou najít v průměru jeden gama záblesk za den. Astronomům se již podařilo identifikovat některé nesmírně energetické gama záblesky, kupříkladu jeden, který měl dokonce i ve viditelném světle magnitudu 5,7, mohli jste jej tedy teoreticky vidět i prostým okem. Našel se také gama záblesk, který uvolnil částice o rychlosti 99,9999 % rychlosti světla. Nejvzdálenější známý gama záblesk pak leží asi 13,1 miliardy světelných let daleko.

Přestože jsme měli řadu pozorování, nevěděli vědci dlouho, co gama záblesky způsobuje. Až v posledním desetiletí se zdálo, že odborníci původ těchto událostí rozluštili. Krátké gama záblesky by měly být tvořeny tzv. kilonovami, což jsou srážky dvojice neutronových hvězd nebo neutronové hvězdy s černou dírou či bílým trpaslíkem. Naproti tomu dlouhé gama záblesky utvářejí extrémně silné a jasné supernovy, kterým někdy říkáme též hypernovy nebo kolapsary. V nedávné době se ale objevily informace, že vše nemusí být takto jasné. Bude třeba ještě další výzkum.

Cubesaty a GRBAlpha

V posledních letech zažívají velký boom tzv. cubesaty, malé družice tvaru krychle (proto název cubesat, od anglického cube – krychle), jejichž hmotnost se obvykle pohybuje kolem jednoho kilogramu a rozměry okolo deseti centimetrů. Popřípadě může jít též o kvádr složený z více krychlí. Nápad na cubesaty vznikl v roce 1999 v USA u odborníků z Kalifornského technologického institutu a Stanfordovy univerzity. První cubesaty se do kosmického prostoru vydaly v červnu 2003 na raketě Rockot-3M. K srpnu 2021 vypustily kosmické agentury a soukromé společnosti již přes 1600 cubesatů. A jejich počet dále narůstá.

Díky rozvoji cubesatů dnes může poslat na oběžnou dráhu vlastní družici mnohem více států a institucí, než kdy dříve. Této možnosti pochopitelně využili i čeští a slovenští specialisté a připravili hned několik vlastních cubesatů. Na české straně to byly (v tomto pořadí) VZLUSat-1, Lucky-7, VZLUSat-2, BDSAT, Planetum-1 a BDSAT-2.

Slováci tímto způsobem v červnu 2017 vypustili svoji první vlastní družici skCube. Ta byla aktivní až do začátku roku 2019 a i přes problémy s palubním počítačem, které přišly krátce po startu, dokázala uskutečnit 19 z 21 plánovaných experimentů. Na tento průkopnický počin se podařilo navázat s další družicí GRBAlpha. Jejím hlavním provozovatelem je Technická univerzita v Košicích, ale na projektu spolupracují také Masarykova univerzita v Brně, Univerzita Loránda Eötvöse v Budapešti, či Konkolyho observatoř ležící také v maďarském hlavním městě.

Do kosmického prostoru vynesla cubesat GRBAlpha (spolu s dalšími 37 družicemi) v březnu 2021 nosná raketa Sojuz-2.1a startující z kosmodromu Bajkonur v Kazachstánu. GRBAlpha byla umístěna na heliosynchronní oběžnou dráhu se sklonem 97,56 stupňů vůči rovníku, výškou perigea 533 kilometrů a apogea 565 kilometrů. Jeden oběh kolem Země trvá 95 minut a 38 sekund. Hlavní úkol družice představuje, jak už název napovídá, výzkum gama záblesků (anglicky gamma-ray bursts – od toho zkratka GRB). Primárním přístrojem cubesatu je tedy detektor gama záblesků. Tyto jsou ve skutečnosti dva, kontrolním detektorem je vybaven i český cubesat VZLUSat-2.

GRB 210807A a GRB 221009A

V době činnosti a snad ještě i na počátku mise GRBAlpha schytávali vědci pracující na tomto cubesatu kritiku a posměšky. Objevovaly se například názory, že nejde o žádné pořádně družice. Nicméně GRBAlpha brzy podala jasný důkaz o své prospěšnosti pro vědecký výzkum. Již necelých pět měsíců po startu zachytila svůj první gama záblesk nazvaný GRB 210807A (poměrně složité označení skrývá to, že jde o první gama záblesk zachycený 7. srpna 2021). Jednalo se o dlouhý záblesk o délce 150 sekund z nějž GRBAlpha viděla zhruba polovinu – 80 sekund. Šlo o velký úspěch, neboť to byl historicky první gama záblesk zaznamenaný cubesatem.

Největší prozatímní úlovek ale přišel až o více než rok později, 9. října 2022. Tehdy astronomové zachytili nesmírně jasný a energetický gama záblesk GRB 221009A. Ten patří také do kategorie dlouhých záblesků, pozorovatelný byl více než deset hodin po první detekci. Kromě toho se zapsal do historie také jako jeden z nejbližších. Odehrál se totiž asi 1,9 miliardy světelných let od nás. To se může zdát hodně, ale na poměry podobných událostí je to naopak velmi blízko. Na obloze bychom našli zdroj tohoto gama záblesku ve směru souhvězdí Šípu.

Událost patří mezi dosud nejsilnější zaznamenané gama záblesky, pokud jde o jasnost, náleží jí zřejmě dokonce prvenství, byť je třeba ještě správně vyhodnotit všechna dostupná data. Nicméně už nyní má GRB 221009A přezdívku BOAT (brightest of all time – tedy nejjasnější v historii). Emise z tohoto zdroje pokrývají celých 15 řádů v elektromagnetickém spektru. Rádiové signály budou patrně viditelné ještě několik dalších let.

Pro opačný konec spektra to sice neplatí, zato však naše observatoře zachytily záření o rekordní energii. Bylo detekováno velké množství fotonů s energií 100 GeV nebo vyšší. Dokonce se našlo i pár fotonů s energií 18 TeV, což je více, než zvládne vytvořit urychlovač LHC v laboratoři CERN. A existuje dokonce i zpráva o jednom fotonu s energií 251 TeV! K té je ale třeba zatím přistupovat s jistou opatrností. V každém případě se zdá, že gama záblesk byl asi 50 až 70 krát jasnější, než předchozí držitel rekordu. Má se za to, že takto masivní událost je pozorovatelná jen asi jednou za 10 000 roků.

A co tedy způsobilo tento gama záblesk? Jelikož šlo o dlouhý záblesk, původcem byla pravděpodobně velmi masivní hvězda, která dospěla na konec svého života a explodovala jako supernova. Při těchto výbuších dochází k uvolňování značného množství energie. Pokud je supernova mimořádně silná, jako tomu bylo v tomto případě, může vyvolat gama záblesk (hovoříme o hypernově či kolapsaru). Při takové události vystřelí kolabující hvězda do okolního prostoru značné množství velmi energetických částic pocházejících především z její obálky, zatímco jádro hvězdy se zhroutí na černou díru.

Kosmická pozorování rekordního gama záblesku

GRB 221009A spatřila celá řada observatoří umístěných v kosmickém prostoru. Za objevem stojí slavný Fermiho gama teleskop a neméně významný dalekohled Swift. Posléze záblesk pozorovaly také detektory NICER a MAXI umístěné na Mezinárodní kosmické stanici, či observatoře IXPE, INTEGRAL, XMM-Newton, Spektr-RG a některé další. Víceméně všechny však měly jeden zásadní problém. Sice viděly mohutný záblesk, ale intenzitou přicházejícího záření byly jejich detektory doslova přesyceny. Proto nemohly určit maximální jasnost zdroje.

Jakuba Říhu z Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky Masarykovy univerzity v Brně v říjnu 2022 telefonát kolegy z NASA, který chtěl vědět, zda jejich cubesat něco naměřil, nejprve poněkud překvapil. Nedomníval se, že právě jejich skromná družice by mohla dokázat to, co velké a drahé observatoře NASA a ESA nezvládly. Vzápětí však zjistil, že v datech z GRBAlpha vidí jasný pík na světelné křivce, za který zodpovídal právě gama záblesk.

Norbert Werner, astrofyzik pracující také na Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky na MUNI se domnívá, že detektor na GRBAlpha nebyl přesycen proto, že je mnohem menší, než detektory na velkých evropských a amerických rentgenových a gama observatořích. Směr odkud záblesk přišel se podařilo určit díky observatoři Swift, která jako jediná dokáže téměř okamžitě identifikovat zdroje podobných událostí. Většinu z nich sice kvůli svému poměrně úzkému zornému poli (zabírá jen asi devítinu oblohy) mine, tentokrát se však dívala správným směrem.

Kromě GRBAlpha dokázaly poměrně dobře měřit záblesk GRB 221009A ještě ruský teleskop Spektr-RG nebo rentgenový detektor na sluneční sondě Solar Orbiter. V obou případech jde však o velké a dosti nákladné observatoře, úspěch GRBAlpha je tudíž mimořádný. S malým cubesatem, který stál jen zlomek ceny výše zmíněných misí, dokázali astronomové získat stejně kvalitní nebo dokonce výrazně přesnější údaje. Cubesat na němž mají podíl i naše instituce se proto navždy zapsal do dějin astronomie a jasně dokázal, že i malé a levné družice mohou odvádět špičkovou vědeckou práci, jež velmi dobře doplňuje větší mise hlavních kosmických agentur.

Výsledkem pozorování GRBAlpha je vědecký článek v časopisu Astronomy & Astrophysics přijatý k publikaci 17. března a publikovaný 28. března. Mezi autory najdeme kromě výše zmíněných Jakuba Řípy a Norberta Wernera třeba také čtenářům našeho webu jistě dobře známého Jakuba Kapuše, ale též celou řadu dalších odborníků ze Slovenska, Česka, Maďarska a Japonska.

Závěr

Cubesat GRBAlpha nade vší pochybnost prokázal svůj velký přínos pro astronomii a astrofyziku. Dodnes pozoroval 27 gama záblesků, 12 slunečních erupcí, dva měkké gama záblesky z magnetarů a jednu erupci rentgenové dvojhvězdy. Ale to stále ještě není všechno, zatím totiž v pořádku pracuje a sbírá data, lze proto očekávat další rozšíření této statistiky v blízké budoucnosti. Cílem pro vzdálenější budoucnost je potom větší konstelace cubesatů, které by pozorovaly celou oblohu a dokázaly přesně lokalizovat zdroje příchozích záblesků.

Doporučené a použité zdroje

• Observatoř Konkoly: https://konkoly.hu/index.shtml
• Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně: https://www.sci.muni.cz/
• Letecká fakulta Technické univerzity v Košicích: https://lf.tuke.sk/wps/portal
• Univerzita Loránda Eötvöse v Budapešti: https://www.elte.hu/en/
• SOSA: http://sosa.sk/sk/
• NASA Swift: https://swift.gsfc.nasa.gov/
• NASA Fermi: https://fermi.gsfc.nasa.gov/
• ESA XMM-Newton: https://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton

Zdroje obrázků

• https://grbalpha.konkoly.hu/static/img/GRPAlpha_preflight_artwork_cut.jpg
• https://scienceandsf.com/wp-content/uploads/2019/09/5102648758_6367a034f1_b.jpg
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/hPivWAfZjyiWV5NKM9xiF8-1200-80.jpeg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f2/Ncube2.jpg
• https://space.skyrocket.de/img_sat/skcube__1.jpg
• https://grbalpha.konkoly.hu/static/img/web_img_3.jpeg
• https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11296_2e-GRB-221009A.jpg
• https://news.wisc.edu/content/uploads/2023/03/rings-775×749.jpg
• https://aasnova.org/wp-content/uploads/2019/06/collapsar.jpg
• https://cfn-live-content-bucket-iop-org.s3.amazonaws.com/containers/apjl-230323-172_focus-on-the-ultra-luminous-grb-221009a/revision4/221009A_ApJL_v3.jpg?AWSAccessKeyId=AKIAYDKQL6LTV7YY2HIK&Expires=1681060336&Signature=n74cAk9PNb%2BLD8B6LZmQ3CODloc%3D
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2022/10/esa_spacecraft_catch_the_brightest_ever_gamma-ray_burst/24534715-1-eng-GB/ESA_spacecraft_catch_the_brightest_ever_gamma-ray_burst_pillars.png
• https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2022/nasas-swift-fermi-miss.jpg