Hipernove i rešenje zagonetke gama-bleskova

U nauci se s vremena na vreme pojavljuju "veliki" problemi, za čije rešavanje je neophodno mnogo hipoteza i kolektivni napor desetina, ako ne i stotina istraživača kroz dugačak period vremena. Neki od i dalje otvorenih takvih problema su, recimo, problem porekla života na Zemlji u biologiji ili porekla vremenske asimetrije ("strele vremena") u teorijskoj fizici. U astronomiji, problem porekla takozvanih gama-bleskova predstavljao je takav veliki problem koji je u nedoumicu stavljao i posmatrače i teoretičare tokom gotovo četiri decenije - do pre šest godina. Veoma sjajan blesak gama zračenja je 29. marta 2003. detektovao Nasin satelit HETE-II (skraćenica od "Istraživač prolaznih fenomena visoke energije", engl. High Energy Transient Explorer). Svega 90 minuta kasnije, novi, veoma sjajan izvor vidljive svetlosti (optički "žar") bio je otkriven u istoj oblasti na nebu uz pomoć 40-inčnog teleskopa opservatorije u Sajding Springu u Australiji, kao i na jednoj opservatoriji u Japanu. Gama-blesak dobio je naziv GRB 030329, prema datumu kad je posmatran (standardna nomenklatura za gama-bleskove glasi GRB - od Gamma-Ray Burst - [poslednje dve cifre godine][mesec][dan]).

Zatim, u naredna 24 časa, prvi detaljni spektar ovog novog objekta dobijen je korišćenjem UVES spektrografa visoke rezolucije na 8,2 metra velikom VLT KUEYEN teleskopu Evropske unije na Opservatoriji Paranal u Čileanskim Andima, jednom od 4 identična teleskopa ove najveće svetske optičke opservatorije. Spektar je omogućio određivanje udaljenosti do objekta na oko 800 megaparseka (2.650.000.000 svetlosnih godina), što odgovara kosmološkom crvenom pomaku od 0,1685. Nastavak posmatranja sa novim instrumentima na VLT-u tokom sledećeg meseca omogućila su medjunarodnoj ekipi astronoma da u detalje dokumentuju promene u spektru optičkog žara ovog gama-bleska. Njihov detaljan izveštaj pojavio se 19. juna 2003. u slavnom britanskom časopisu Nature. Spektri su pokazali postepeno i nedvosmisleno pojavljivanje supernove najsnažnije poznate vrste, tzv. hipernove. Ona nastaje eksplozijom veoma masivne zvezde, preko 25 puta masivnije od Sunca, i nekoliko miliona puta sjajnije. Izmerena brzina širenja omotača hipernove je preko 30.000 kilometara u sekundu (10% brzine svetlosti!), a ukupna oslobođena energija ovog posebnog događaja iz marta 2003. bila je izuzetno velika, čak i unutar klase hipernovih.

Iz poređenja sa bližim hipernovama, astronomi su bili u stanju da precizno utvrde sam trenutak zvezdane eksplozije. Ispostavlja se da je taj trenutak unutar intervala od plus/minus 2 dana od momenta gama-bleska. Ovaj jedinstveni zaključak sugerisao je da su dva događaja direktno povezana. Posmatranja su, stoga, ukazala na jedinstveni fizički proces u zaleđu eksplozije hipernove i pridružene emisije snažnog gama-zračenja. Ekipa astronoma je zaključila da je u pitanju gotovo trenutni, asimetrični kolaps unutrašnjih oblasti masivne zvezde na kraju svog životnog veka (takozvani model "kolapsara", o kome nešto više kasnije). Gama-blesak od 29. III 2003. ući će u istoriju astrofizike kao redak događaj koji "definiše paradigmu", pošto je ukazao na neoborivu vezu između kosmoloških gama-bleskova i završnih eksplozija veoma masivnih zvezda.

Šta su, zapravo, gama-bleskovi?

Proučavanje ovih dramatičnih događaja jedna od najaktivnijih oblasti savremene astrofizike. Oni su prvo otkriveni kasnih 1960-tih godina osetljivim instrumentima na vojnim satelitima u orbiti oko Zemlje, koji su bili lansirani u cilju nadgledanja i detekcije nuklearnih proba. U prvo vreme, svi podaci o njima bili su strogo čuvana vojna tajna, pošto su vojni stručnjaci i u SAD i u SSSR-u u prvi mah mislili da se radi o tajnim nuklearnim probama "druge strane". Detektori gama-zračenja kojima se u to doba raspolagalo bili su suviše primitivni da bi se pravac iz koga zračenje dolazi mogao odrediti (sa tim problemom se i danas gama-astronomija teško hvata u koštac). Trajanje ovih bleskova (od par sekundi do nekoliko minuta) u prvi mah se činilo saglasnim sa ovom interpretacijom. Vrlo brzo je, međutim, zaključeno da oni ne mogu biti nuklearne probe (srećom!), jer su se dešavali suviše često: u proseku oko jedanput dnevno. Tada je postalo jasno da su u pitanju ipak prirodni događaji čija je interpretacija, međutim, ostala zagonetna gotovo četiri decenije. U medjuvremenu je lansirano više satelita čija je jedina svrha bila posmatranje gama-bleskova, poput poznate "Komptonove Gama Opservatorije" (CGRO - Compton Gamma-Ray Observatory). U jednom preglednom članku sa početka 1990-tih navodilo se čak preko stotinu hipoteza predloženih u literaturi kao mehanizam za nastajanje gama-bleskova. Dugo vremena vodila se polemika među astrofizičarima da li su u pitanju pojave koje se odigravaju unutar naše Galaksije ili potiču iz drugih galaksija, često na velikim, kosmološkim udaljenostima. Ovo drugo je bilo u saglasnosti sa gotovo savršenom izotropijom gama-bleskova na nebu - oni dolaze podjednako iz svih pravaca. Međutim, u prilog prve ideje (o njihovom lokalnom, tj. galaktičkom poreklu) govorio je proračun da bi energije oslobođene u bleskovima morale biti ogromne ako se oni nalaze na kosmološkim udaljenostima. Astronomi jednostavno nisu doskora imali posla sa toliko dramatičnim fenomena - barem ne posle samog Velikog praska. Pobedu je, na kraju, odnelo kosmološko gledište, ali tek 1997. godine

Uprkos velikim naporima, kako posmatrača tako i teoretičara, tek je tokom poslednjih šest godina postalo moguće da se sa preciznošću odrede pravci iz kojih bleskovi gama-zraka dolaze. Zapravo, bio je potreban "dvostepeni" mehanizam da bi se konačno po prvi put videli (u bukvalnom značenju reči) tragovi gama-bleskova. Najpre su astronomi koristeći rendgenske teleskope u orbiti oko Zemlje ustanovili gde se nalaze izvori emisije X-zračenja koja se poklapa sa gama-bleskom, a tek onda su, naoružani koordinatama dobijenim iz rendgenskih posmatranja, mogli u tom pravcu da okrenu džinovske optičke teleskope nove generacije. Kao rezultat tog napora, od proleća 1997. godine do danas astronomi su identifikovali oko 50 kratkotrajnih izvora optičke svetslosti asociranih sa gama-bleskovima, što je fenomen nazvan "optičkim žarom" (engl. optical afterglow). Značaj ovog otkrića ogleda se, između ostalog, u činjenici da je već više teleskopa metarske klase u svetu u potpunosti posvećeno traganju za optčkim žarom gama-bleskova 365 noći godišnje (jedan od izuzetno uspešnih uređaja ove vrste nalazi se u Turskoj i turske kolege sa njim postižu doista sjajne rezultate).

Većina gama-bleskova potiče sa ekstremno velikih udaljenosti, iz galaksija koje se vide tek najvećim teleskopima. Ovo ukazuje da je energija oslobođena tokom par sekundi tokom takvog jednog događaja veća od one koju naše Sunce oslobodi ukupno tokom čitavog svog života od preko 10 milijardi godina! Nije ni čudo da su u pitanju jedini izvori koje pouzdano možemo videti gdegod da se odigraju unutar našeg kosmološkog horizonta. Gama-bleskovi su odista najspektakularnije eksplozije nakon samog Velikog praska.

Tokom poslednjih desetak godina evidencija da su gama-bleskovi povezani sa kolapsom masivnih zvezda je postajala sve ubedljivija. To je prvobitno bilo zasnovano na verovatnoj vezi jednog dosta neuobičajenog gama-bleska sa poznatom vangalaktičkom supernovom, zabeleženom u katalozima kao SN 1998bw. Od tada se pojavilo još ključeva za razrešenje misterije, uključujući činjenicu da su gama-bleskovi predominantno otkrivani u oblastima formiranja masivnih zvezda u udaljenim galaksijama, kao i neobične "skokove" u krivoj sjaja gama-bleskova koji su podsećali na slične promene sjaja kod supernovih. Takodje su u rendgenskim spektrima poteklim iz oblasti gama-bleskova otkriveni tragovi novostvorenih hemijskih elemenata, medju kojima su neki radioaktivni izotopi veoma kratkog vremena života. Međutim, sve do 29. marta 2003, svi ti argumenti bili su u najboljem slučaju indirektni.

Tog dana (u tačno 11 sati, 37 minuta i 14,67 sekundi po Griniču), orbitalna opservatorija HETE-2 detektovala je veoma snažan gama-blesak. Kao što smo opisali, pravovremenom i munjevitom reakcijom naučnika dobijen je podroban spektar optičkog žara. Na osnovu pažljive analize ovog spektra, astronomi su predstavili svoju interpretaciju bleska zvanično obeleženog sa GRB 030329 u istraživačkom članku objavljenom u Nature-u. Pod prozaičnim naslovom "Supernova visoke energije povezana sa gama-bleskom of 29. marta 2003", ništa manje do 27 autora iz 17 istraživačkih instituta širom sveta, na čelu sa danskim astronomom Jensom Hjortom, zaključilo je da sada postoje neoborivi dokazi direktne veze gama-bleskova i eksplozija hipernovih, tj. veoma masivnih, daleko evoluiranih zvezda. Konkretno, ovo se zasniva na postepenom "pojavljivanju" spektra tipa supernovih sa vremenom, što otkriva izuzetno dramatičnu eksploziju zvezde. Sa brzinama iznad 10% brzine svetlosti, izbačeni materijal (mase više desetina Sunčevih masa!) prodire kroz međuzvezdanu materiju i verovatno će tokom narednih hiljada godina formirati džinovsku maglinu u udaljenoj galaksiji u kojoj je hipernova eksplodirala. Svi rezultati dobijeni u međuvremenu su ovu osnovnu sliku potvrdili, što opravdava njeno stavljanje u red najznačajnijih postignuća nauke u ovom, nedavno otpočelom, veku.

Hipernove su (srećom!) retki događaji i po svemu sudeći ih prouzrokuju eksplozije zvezda takozvanog Vulf-Rajeovog (Wolf-Rayet, WR) tipa. Ove zvezde su originalno nastale sa masama iznad 25 Sunčevih masa i sastojale se uglavnom od vodonika. Sada, u svojoj Vulf-Rajeovoj fazi, pošto su izgubile spoljne omotače zbog intenzivnog zvezdanog vetra, one se sastoje gotovo isključivo od helijuma, kiseonika i težih elemenata koje je proizvelo intenzivno nuklearno sagorevanje tokom proteklih faza njihovog kratkog života (svega par miliona godina, u poređenju sa, recimo, oko 10 milijardi godina dugačkim ukupnim životom našeg Sunca).

Šta se, dakle, zaista dogodilo 29. marta 2003. (ili pre oko 2 milijarde i 650 miliona godina, koliko je svetlosti bilo potrebno da stigne do nas)? Sada kompletirana priča ukratko je sledeća. Više hiljada godina pre eksplozije, veoma masivna zvezda kojoj je ponestajalo vodonika za nuklearnu fuziju, otpustila je svoje spoljne omotače i pretvorila se u plavo-ljubičastu Vulf-Rajeovu zvezdu. Ostatak zvezde sadržao je oko 10 Sunčevih masa helijuma, kiseonika i težih elemenata.

U godinama neposredno pre eksplozije, Vulf-Rajeova zvezda je ubrzano trošila svoje preostalo gorivo kroz egzotične nuklearne reakcije kojima se od helijuma proizvodio ugljenik, od ugljenika silicijum, itd. U nekom trenutku, intenzitet nuklearnih reakcija postao je nedovoljan da održava jezgro zvezde protiv gravitacionog kolapsa, i to je iznenada proizvelo dramatičan sled događaja. Jezgro zvezde je kolapsiralo, bez interakcije sa spoljašnjim delovima zvezde. U jezgru se formirala crna rupa, okružena diskom materije koja upada u nju (tzv. akrecioni disk). Za svega par sekundi, iz blizine crne rupe je ogromnom brzinom izbačen mlaz materije.

Mlaz je prošao kroz spoljnu ljusku zvezde i, zajedno sa snažnim vetrom novoformiranog radioaktivnog izotopa nikla-56 koji se raspadao lančanom reakcijom, poput džinovske nuklearne bombe, razneo zvezdu. Ova titanska eksplozija, hipernova, sija u optičkom delu spektra uglavnom zbog nuklearne eksplozije radioaktivnog nikla. U međuvremenu, mlaz naleće na materiju koja okružuje zvezdu i stvara gama-blesak koji će 2650 miliona godina kasnije zabeležiti astronomi na Zemlji. Detaljan mehanizam proizvodnje gama zraka je i dalje predmet rasprave, ali on je povezan ili sa interakcijom između mlaza i materije koju je zvezda prethodno odbacila, ili sa unutrašnjim sudarima unutar mlaza.

Ovaj scenario predstavlja takozvani model "kolapsara" koji je prvi predložio američki astrofizičar Sten Vuzli, sa Kalifornijskog univerziteta u Santa Kruzu još 1993. godine. Vuzli je bio i član međunarodnog tima koji je proučavao GRB 030329. On, međutim, upozorava da ovo ne znači da je zagonetka gama-bleskova u potpunosti rešena. "Uvereni smo da duži bleskovi uključuju kolaps jezgra i hipernovu, koja najverovatnije stvara crnu rupu. Uspeli smo da ubedimo većinu skeptika. Međutim, ne možemo još da izvedemo nikakav zaključak o tome šta proizvodi kraće bleskove, one dugačke svega par sekundi." izjavio je Vuzli Scientific American-u, najboljem svetskom popularno-naučnom časopisu.

Jedan od aspekata razrešenja ove misterije koji se može pokazati od velikog značaja za život na Zemlji jeste onaj astrobiološki. Kao što su nedavno pokazali američki astrofizičari Džon Skalo i Krejg Viler, gama-bleskovi mogu prouzrokovati masovna izumiranja bioloških vrsta širom svojih matičnih galaksija. Dramatičan zaključak Skaloa i Vilera jeste da je "radijus letalnosti" prosečnog gama-bleska oko 14 kiloparseka (prisetimo se da je udaljenost Sunčevog sistema od centra Mlečnog puta "svega" 8,5 kpc). Mada je prosečna stopa gama-bleskova u galaksiji poput Mlečnog puta još uvek nedovoljno poznata, ovakvi događaji su se svakako dešavali u prošlosti našeg zvezdanog sistema. Sasvim je moguće da su neki od njih izazvali masovna izumiranja vrsta o kojim već gotovo dva veka raspravljaju paleontolozi (nedavno je jedna multidisciplinarna grupa naučnika na čelu sa Adrijenom Melotom povezala epizodu masovnog izumiranja na kraju geološkog perioda ordovika sa eksplozijom gama-bleska negde u našoj galaksiji pre oko 440 miliona godina).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Najbliži kandidat za hipernovu u našoj Galaksiji, Mlečnom putu, jeste slavna promenljiva zvezda Eta Krme (ε Car) vidljiva na južnom nebu, udaljena tek 1,6 kpc. Ukoliko bi Eta Krme eksplodirala istim intenzitetom kao najsjajniji među kosmološkim gama-bleskovima (što nije verovatno, ali kod ovakvih stvari treba uvek imati u vidu najgori scenario), ona bi deponovala energiju u gornjim slojevima Zemljine atmosfere jednaku eksploziji više od 1 kilotona po kvadratnom kilometru hemisfere okrenute ka njoj. To bi sasvim izvesno dovelo do dugoročnog uništenja ozonskog sloja i masovnog izumiranja vrsta na planeti. Bez obzira na to što je ovaj scenario relativno malo verovatan (zbog distribucije energija i anizotropnosti), to bi trebalo da bude u najmanju ruku snažan podsticaj da se sa proučavanjem ovih dramatičnih pojava i njihovim mogućim efektima na naše astronomsko i ekološko okruženje nastavi.