Kratkotrajni izbruhi sevanja gama, ki prihajajo iz globočin vesolja, vsakodnevno obstreljujejo Zemljo. Človeštvo se njihovega obstoja zaveda že dobrega pol stoletja in danes vemo o njih že zelo veliko, a pred desetletji temu ni bilo tako. Izbruhi, ki so jih odkrili povsem po naključju med hladno vojno, so bili dolgo časa zaviti v tančico skrivnosti in predmet burnih razprav.
Kozmični ognjemet
Če dovolj dolgo zremo v del nočnega neba, se bo na njem slej ko prej pojavila nova svetla pika. Na nebu ostane nekaj minut, včasih tudi več dni, preden ponovno izgine. Takšen kratkotrajni pojav imenujemo transient in v vesolju jih je veliko. Verjetno najslavnejši tranzient je eksplozija supernove, ki predstavlja zadnji krik umirajoče, masivne zvezde.
Tranzienti pa se ne pojavljajo le v nam domači vidni svetlobi, temveč v celotnem elektromagnetnem spektru. Tako najdemo veliko kratkotrajnih virov radijske in infrardeče svetlobe, rentgenskega sevanja in sevanja gama. Na nočnem nebu kar mrgoli kozmičnih lučk, ki se prižigajo in ugašajo v vseh mogočih barvah vidnega in nevidnega spektra svetlobe.
Zemljina atmosfera absorbira večino elektromagnetnega spektra, zato lahko z Zemlje opazujemo vesolje le v vidni in radijski svetlobi. Če želimo opazovati vesolje v luči visokih energij, moramo oditi nad atmosfero. V vesolje moramo poslati satelit z detektorjem sevanja gama. Prvi takšni sateliti so bili izstreljeni v šestdesetih letih dvajsetega stoletja.
Sateliti Vela kot produkt hladne vojne
Na začetku šestdesetih so svetovne velesile navdušeno testirale jedrsko orožje. Bombe so postajale vedno močnejše in bolj uničujoče. Sovjetska zveza je detonirala atomsko bombo Tsar, ki še danes drži naslov najmočnejšega jedrskega orožja vseh časov. Moč njene eksplozije je ustrezala kar 50 milijonom ton TNT-ja.
Na drugi strani so eksperimentirale tudi Združene države. Na višini 400 kilometrov nad Zemljo so detonirale manjšo bombo Starfish Prime. Za primerjavo, Mednarodna vesoljska postaja se nahaja med 330 in 410 kilometri nad površjem. Eksplozija je povzročila nepričakovano močan pulz elektromagnetnega sevanja, ki je poškodovalo električno omrežje na Havajih, ki so bili od eksplozije oddaljeni 1500 kilometrov.
Situacija je bila resna in vse strani so se zavedale, da bo nadaljevanje takšnih in podobnih testov vodilo v neizbežno katastrofo. Zato so leta 1963 Združene države, Sovjetska zveza in Združeno kraljestvo podpisali sporazum o prepovedi testiranja jedrskega orožja.
Pogodba je pomenila velik korak za jedrsko varnost, a ni prekinila napetosti in nezaupanja med državami. Pojavile so se govorice, da Sovjetska zveza skrivoma nadaljuje s testiranjem orožja v vesolju na oddaljeni strani Lune. Zaskrbljene Združene države so hitro zgradile in izstrelile nekaj satelitov v vesolje, ki so bili opremljeni z detektorji sevanja gama. S sateliti imenovanimi Vela so želeli Američani zaznati morebitne eksplozije atomskih bomb na Zemlji in v vesolju.
Tridesetletna uganka izbruhov
Leta 1967 sta dva satelita Vela zaznala kratek izbruh sevanja gama, vendar so bile lastnosti izbruha drugačne od tistih, ki bi jih pričakovali pri eksploziji atomske bombe. Znanstveniki so prišli do zaključka, da signal ni povezan z jedrskimi poskusi. A o pravem izvoru izbruhov se jim ni niti sanjalo.
Leta 1969 so z novejšim modelom satelita Vela 5 zaznali dvanajst novih izbruhov, kar je podžgalo radovednost in hitro so v vesolje izstrelili še satelit Vela 6. Satelita sta okoli Zemlje načrtno krožila precej vsaksebi. Če bi oba satelita zaznala izbruh, bi svetloba do bolj oddaljenega satelita pripotovala z majhno, a merljivo zakasnitvijo. Takšna zakasnitev bi omogočila grobo oceno smeri, iz katere prihaja izbruh.
Eksperiment je uspel, saj se je izkazalo, da izbruhi nimajo zemeljskega izvora, prav tako ne prihajajo od Sonca, Lune, ali katerega od planetov našega Osončja. Izvor izbruhov je moral biti bolj oddaljen astronomski pojav.
Trajalo je več desetletij preden je prišlo do premika v razumevanju izbruhov. Leta 1991 so v vesolje izstrelili satelit CGRO, s katerim so znanstveniki odkrili na tisoče izbruhov. Izkazalo se je, da obstajata dve družini izbruhov, dolgi in kratki, pri čemer kratki trajajo manj kot dve sekundi, dolgi pa med dvema sekundama in več deset minut.
Idej in teoretičnih modelov, ki bi pojasnili izbruhe, je v prvi polovici devetdesetih kar mrgolelo. Leta 1995 se je v Muzeju naravne zgodovine Smitsonian (ZDA) odvila danes slavna debata med Donaldom Q. Lambom in Bohdanom Paczynskim. Astrofizika sta razpravljala o naravi izbruhov. Pereče vprašanje je bila predvsem razdalja do pojava, s poznavanjem katere bi lahko izračunali energijo, ki jo izbruh izseva. Brez tega podatka namreč napredek v razumevanju pojava ni bil mogoč. Lamb je trdil, da izbruhi izvirajo iz bližine Osončja, medtem ko je Paczynski zagovarjal tezo, da izbruhi izvirajo iz področja izven Galaksije.
Uganka je bila rešena leta 1997 z italijansko-nizozemskim satelitom BeppoSAX. Satelit je bil opremljen z detektorji, s katerimi so lahko hkrati opazovali sevanje gama in rentgensko sevanje. Konec februarja je satelit zaznal izbruh sevanja gama, kar ne bi bilo nič posebnega, če ne bi skoraj istočasno zaznal tudi nov vir rentgenske svetlobe na istem delu neba. Izkazalo se je, da izbruhu sevanja gama sledi zasij, kar so pravzaprav napovedovali tudi nekateri teoretični modeli. Zasij sveti dalj časa, lahko ga opazujemo tudi več dni ali tednov. Obenem pa svetloba zasija sega vse od sevanja gama do radijskih valov. Opazujemo jih lahko v celotnem elektromagnetnem spektru.
Zasij, čeprav zanimiv sam po sebi, je bil v tistih časih predvsem pomemben za lokalizacijo izbruha. Narava svetlobe je namreč takšna, da je mogoče veliko lažje določiti smer, iz katere prihaja rentgenska in optična svetloba kot sevanje gama. Detekcija rentgenskega zasija je torej pomenila, da so astronomi kar naenkrat precej bolj natančno izmerili položaj izbruha na nebu.
Nemudoma so začeli po svetu brneti telefoni. Navdušeni astronomi so v smer rentgenskega zasija usmerili teleskop na La Palmi (Kanarski otoki, Španija) in odkrili tudi zasij v vidni svetlobi. Sedaj je bila smer izbruha izredno natančno določena. V nekaj dneh je zasij potemnel in postal neviden, na njegovem položaju na nebu pa so astronomi našli temno in oddaljeno galaksijo. In tako so končno dokazali, da izbruhi izvirajo iz izredno oddaljenih galaksij.
Kaj so izbruhi sevanja gama?
Velika oddaljenost izbruha je zelo zanimiva, saj pomeni, da se ob samem izbruhu sprosti izredno veliko energije. V le nekaj minutah izbruh izseva več energije, kot jo bo Sonce v vsej svoji deset milijonov let dolgi življenjski dobi. Izbruh sevanja gama je najmočnejša eksplozija v vesolju, podrejena zgolj velikemu poku.
Dandanes je zaznavanje izbruha in zasija postalo rutina. S pomočjo številnih opazovanj in teoretičnih modelov smo si zgradili prepričljivo sliko o tem, kaj povzroča izbruhe. Kratki in dolgi izbruhi imajo različen izvor. Dolgi izbruhi nastanejo ob smrti masivnih zvezd, to je zvezd, katerih masa je več desetkrat večja od mase Sonca, in so povezani so supernovami. Čeprav je supernova stalna spremljevalka smrti masivnih zvezd, se izbruhi pojavijo le občasno, zato se še vedno trudimo razumeti, katere lastnosti zvezd vodijo do izbruha. Po drugi strani pa kratki izbruhi nastanejo ob trku dveh nevtronskih zvezd. V obeh scenarijih pa nastane črna luknja ali hitro se vrteča nevtronska zvezda. Od tu naprej je razvoj dogodkov tako za kratke kot dolge izbruhe podoben.
Na obeh straneh črne luknje se pojavi curek delcev. Curek se oddaljuje od črne luknje z izjemno hitrostjo, le malenkost manjšo od svetlobne. Sestavljen je iz lupin, ki se gibljejo z različnimi hitrostmi. Lupine zato med seboj trčijo in v trku nastane svetloba, ki jo vidimo kot izbruh sevanja gama. Svetloba je izsevana v smer gibanja curka. Vidimo jo lahko le, če je curek obrnjen proti nam. To pomeni, da za vsak izbruh, ki ga vidimo, zgrešimo deset do sto drugih izbruhov.
A zgodba se tu še ne konča. Zvezde so obdane s plinom in prahom. Le nekaj sekund po eksploziji curek doseže snov, ki obdaja umrlo zvezdo (ali trkajoči nevtronski zvezdi). Curek se med potovanjem skozi snov ustavlja, ob čemer nastane svetloba, ki jo imenujemo zasij. Kot rečeno je zasij mogoče opazovati dalj časa in v celotnem elektromagnetnem spektru.
Nič več tako skrivnostni, a še vedno privlačni
Čeprav je opisan mehanizem nastanka izbruhov sprejet v znanstveni skupnosti, se o njih še vedno učimo. Leta 2017 so nam tako kratki izbruhi postregli s pravim presenečenjem. Izbruh GRB 170817A je nastal zgolj 130 milijonov svetlobnih let stran, kar je za astronomske razmere praktično na našem dvorišču. Gre za daleč najbližji izbruh, kar smo jih do sedaj ujeli.
Trk dveh nevtronskih zvezd, ki je vodil do izbruha, je povzročil tudi močne gravitacijske valove, ki so jih zaznali fiziki z detektorjema LIGO in Virgo. Ta izbruh je eden najbolj opazovanih in študiranih astronomskih objektov vseh časov. Med drugim se je izkazalo, da pri takšnih dogodkih nastane veliko težkih kemijskih elementov, kot je stroncij. Morda tudi zlato. Povsem mogoče je torej, da je zlato v naših prstanih in ogrlicah nastalo v davnem in uničujočem trku dveh nevtronskih zvezd.
Pol stoletja po odkritju so izbruhi sevanja gama še vedno vroča znanstvena tema. Deloma zato, ker lahko s proučevanjem izbruhov in zasijev študiramo vrsto astronomskih tematik. Izbruhi nas učijo o razvoju zvezd, pomagajo nam pri razumevanju razvoja vesolja in odpirajo možnost raziskovanja oddaljenih, temnih galaksij. Predstavljajo edinstven laboratorij ekstremnih fizikalnih razmer, ki jih ne moremo poustvariti na Zemlji. A del čara gre pripisati njihovi nepredvidljivosti. Vsak izbruh je edinstven in vsak izbruh nas lahko nauči nekaj novega o vesolju.
