Nasina misija Fermi LAT je odkrila izbruh magnetarja v bližnji galaksiji in osvetlila procese v okolici nevtronskih zvezd

15. aprila 2020 je skozi Sončev sistem potoval kratek izbruh visokoenergijske svetlobe, ki so ga zaznali na več vesoljskih plovilih agencij NASA in ESA. V skupini člankov, objavljenih 13. januarja 2021 v revijah Nature in Nature Astronomy, več mednarodnih znanstvenih skupin ugotavlja, da je v eksploziji nastala svetloba do nas pripotovala iz supermagnetiziranega zvezdnega ostanka, imenovanega magnetar, ki se nahaja v bližnji galaksiji. Rezultati raziskav vesoljskega teleskopa Fermi LAT, v kateri sodeluje prof. dr. Gabrijela Zaharijas, sodelavka Centra za astrofiziko in kozmologijo Univerze v Novi Gorici potrjujejo, da magnetarji tvorijo nov razred izvorov kratkih izbruhov sevanja gama in hkrati razkrivajo astrofizikalne procese, ki se dogajajo v bližini magnetarjev.

Kratek izbruh visokoenergijske svetlobe, ki je trajal zgolj 140 milisekund - približno tako dolgo, kolikor traja tlesk prstov - so zaznali 15. aprila 2020 na več vesoljskih plovilih agencij NASA in ESA. Najprej je kratek in močan izbruh rentgenske svetlobe in sevanja gama (svetlobe pri najvišjih energijah) zaznal ruski visoko-energijski nevtronski detektor na Nasinem plovilu Mars Odyssey v bližini Marsa. Približno 6,6 minut kasneje je izbruh zaznal ruski instrument Konus na Nasinem satelitu Wind, ki se nahaja v bližini točke L1 med Zemljo in Soncem. Po nadaljnjih 4,5 sekundah je izbruh dosegel Zemljo. Zaznali so ga z instrumenti na več satelitih v zemeljski orbiti, z Nasinim vesoljskim teleskopom Fermi, s satelitom Evropske vesoljske agencije INTEGRAL in z monitorjem interakcij med ozračjem in zunanjim vesoljem na krovu Mednarodne vesoljske postaje. Izbruh je zaznal tudi Nasin vesoljski observatorij Swift - Neil Gehrels.

Zaradi velikega števila meritev istega izbruha visokoenergijske svetlobe na med seboj zelo oddaljenih krajih in ob različnih časih so lahko raziskovalci natančno določili njegov izvor v (razmeroma) bližnji galaksiji NGC253, ki se nahaja v ozvezdju Kipar in je oddaljena 11 milijonov svetlobnih let (za primerjavo, velikost diska naše Galaksije je približno stokrat manjša).

Poznamo dve glavni vrsti kandidatov izvorov kratkotrajnih izbruhov visokoenergijske svetlobe. Eni so (kratki) izbruhi sevanja gama, ki nastanejo ob zlitju kompaktnih objektov (n. pr. dveh nevtronskih zvezd), drugi pa so procesi povezani z eno samo nevtronsko zvezdo - magnetarjem. Iz oblike signala zaznanega izbruha so raziskovalci kolaboracije Fermi LAT ugotovili, da je bil v tem primeru izvor visokoenergijske svetlobe magnetar.

Magnetarji so nevtronske zvezde z najmočnejšimi znanimi magnetnimi polji, do tisočkrat višjimi od tistih okoli tipičnih nevtronskih zvezd. Izbruhi sevanja gama so veliko svetlejši in jih opažamo skoraj vsakodnevno (k nam prihajajo iz vseh, tudi zelo oddaljenih koncev vesolja), sevanje iz šibkejših izvorov – magnetarjev pa zaznamo veliko redkeje. Večina izmed 29 magnetarjev, ki jih danes poznamo v naši galaksiji, občasno kaže visokoenergijsko aktivnost, vendar sta do sedaj le dva izmed njih povzročila zelo močne, »orjaške« blišče (enega izmed njih so leta 1979 opazili iz magnetarja, ki se nahaja v Velikem Magellanovem oblaku, satelitski galaksiji naše galaksije).

Razlogov za nastanek orjaških bliščev še ne razumemo povsem, a raziskovalci menijo, da so posledica nenadne spremembe orientacije magnetarjevega magnetnega polja. Po eni izmed hipotez se magnetno polje magnetarja nenadoma spremeni, ker zavzame energijsko ugodnejšo konfiguracijo, pri spremembi magnetnega polja pa pride do kratkega izseva visokoenergijske svetlobe. Druga, prav tako zanimiva hipoteza napoveduje, da nenadno rekonfiguracijo magnetnega polja povzroči mehanska nestabilnost magnetarjeve skorje – torej neke vrste zvezdni potres.

V izbruhu visokoenergijske svetlobe, ki ga je glavni Fermijev instrument LAT opazil 15. aprila 2020, je zaznal sevanje gama pri treh različnih energijah: 480 milijonih Elektronvoltov (MeV), 1,3 milijardah Elektronvoltov (GeV) in 1,7 GeV, kar pomeni, da smo izmerili svetlobo iz res »orjaškega« blišča z najvišjo energijo doslej (energija fotonov vidne svetlobe je med 1.56 in 3,326 Elektronvolti). Presenetljivo je tudi, da je svetlobni blisk z najvišjimi energijami prispel do Zemlje od 19 sekund do 4,7 minut kasneje od tistega iz glavnega dogodka – torej dolgo po tem, ko je bliščev signal, zaznan v drugih instrumentih, že ugasnil.

Ključno odkritje, h kateremu je prispevala prof. dr. Gabrijela Zaharijas, je povezano s časovno oblika signala detektorja Fermi LAT, ki kaže na zakasnitev med prvim in drugim maksimumom zaznane visokoenergijske svetlobe. Kot vemo, magnetar neprestano proizvaja tok hitro gibajočih se visokoenergijskih delcev. Na svoji poti skozi vesolje jih medzvezdni plin upočasnjuje in s trki se spreminja tudi njegova smer. Raziskovalci so ugotovili, da se medzvezdni plin zaradi trkov nakopiči, stisne in segreje, s tem pa nastane vrsta udarnega vala, imenovanega »udarni lok«. V modelu, ki ga je predlagala ekipa Fermi LAT, začetnemu izbruhu sevanja gama iz magnetarja sledi oblak izvržene snovi (delcev), ki se razširja z le malenkost nižjo hitrostjo od hitrosti svetlobe. Po nekaj dneh oba dosežeta udarni lok. Izvorno sevanje gama ga brez težav preči, oblak delcev, ki ga doseže nekaj sekund kasneje, pa trči z nakopičenim plinom. V trku nastanejo udarni valovi, ki pospešujejo delce v loku in zaradi zavornega sevanja povzročijo nastanek sekundarnega sevanja gama z zelo visokimi energijami.

Ob podrobnem študiju izbruha visokoenergijske svetlobe, zaznane 15. aprila 2020 smo ne le razjasnili pojave, ki potekajo ob blišču iz magnetarja, ampak tudi ugotovili, da bi lahko bil del kratkih izbruhov sevanja gama, opaženih v preteklosti, posledica izseva iz magnetarjev. Zdaj vemo, da so magnetarji izredno zanimivi astrofizikalni objekti ne le zaradi svojega izjemnega magnetnega polja, temveč tudi zato, ker predstavljajo nov razred izvorov izbruhov sevanja gama, ki jih bo v prihodnje potrebno podrobno proučiti.

Dodatne povezave:

Sporočilo za javnost agencije NASA: http://go.nasa.gov/3p63rFX

Članek, objavljen v Nature Astronomy: https://go.nature.com/39EWEfB

Videoposnetek za medije (AAS): https://bit.ly/3qw30VI