NASA śledzi najjaśniejsze wydarzenie kosmiczne, jakie kiedykolwiek zarejestrowano – „To jest szalone!”

Astronomowie uważają, że długi GRB (rozbłysk promieniowania gamma) powstaje w wyniku szybko obracającej się masywnej gwiazdy, gdy w jej jądrze kończy się paliwo i zapada się, tworząc czarną dziurę w centrum gwiazdy. W koncepcji tego artysty z umierającej gwiazdy wyłaniają się dwa dżety, które wchodzą w interakcję z otaczającym ją gazem i pyłem. Źródło obrazu: Laboratorium obrazów koncepcyjnych Centrum Lotów Kosmicznych NASA Goddard

Astronomowie byli świadkami łodzi, najjaśniejszego wydarzenia kosmicznego, jakie kiedykolwiek zarejestrowano, demonstrującego potęgę domeny czasu i astronomii obejmującej wielu posłańców. To wydarzenie i inne im podobne dają wgląd w dynamiczne procesy zachodzące we wszechświecie i rolę współpracy w odkryciach naukowych.

Telefon Stephena LeSage’a zaczął wibrować po przerwie 9 października 2022 r., gdy oglądał z przyjacielem mecz piłki nożnej w Atlancie. Kiedy Lesage zobaczył przychodzące wiadomości, dopasowanie nie wydawało się już ważne. Miało miejsce rzadkie wydarzenie kosmiczne i musiał natychmiast uzyskać dostęp do swojego komputera.

Należący do NASA satelita Fermi Gamma Ray i Obserwatorium Neila Gehrelsa-Swifta zarejestrowały niezwykle jasny sygnał w przestrzeni kosmicznej i wysłały automatyczne powiadomienia do naukowców. Kanał czatu Fermi zespołu Lesage'a zapełnił się wiadomościami, gdy naukowcy koordynowali strategię dalszych działań.

„Wszyscy w tej grupie myśleli: «To jest szaleństwo!» „Kto jest odpowiedzialny za analizę tego? Na to czekaliśmy” – wspomina Lesage, absolwentka Uniwersytetu Alabama w Huntsville. „No, czas!”

To niezwykłe wydarzenie okazało się kosmiczną eksplozją, być może najjaśniejszą w zakresie energii rentgenowskiej i gamma od początków cywilizacji. Astronomowie nazwali ją „łódką”, „najjaśniejszą ze wszystkich”. Lesage przeprowadził analizę danych Fermiego, która pokazała, jak jasna była łódź w rzeczywistości. Ponad 150 teleskopów w kosmosie i na Ziemi podążyło śladami, aby uzyskać więcej szczegółów na temat wydarzenia, w tym NASAIXPE (X-ray Polarimetry Explorer), Kosmiczny Teleskop Hubble'a, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, a także teleskop XMM-Newton Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Wszechświat się zmienia

Łódź jest przykładem tego, co astronomowie nazywają astronomią w dziedzinie czasu i wieloprzesłaniową. Część „dziedzina czasu” odnosi się do wydarzeń zachodzących we wszechświecie, które teleskopy mogą obserwować w momencie ich wystąpienia, takich jak supernowa lub połączenie dwóch gwiazd neutronowych. „Astronomia wielu posłańców” odnosi się do różnorodnych „posłańców”, którzy przekazują informacje z wszechświata, w tym wszystkie formy światła, cząstki o wysokiej energii i zmarszczki w czasoprzestrzeni zwane Fale grawitacyjne.

Chociaż może wydawać się, że Wszechświat zmienia się bardzo powoli, na przestrzeni milionów, a nawet miliardów lat, jego niebiańscy mieszkańcy czasami powodują dramatyczne zmiany w ciągu kilku dni, a nawet ułamków sekund. Centra galaktyk świecą, gdy ich centralne czarne dziury zjadają materię. Wysysające czarne dziury osocze Z pobliskich gwiazd. Gwiazdy eksplodują. Gwiazdy neutronowe zderzają się z czarnymi dziurami, gwiazdy neutronowe zderzają się z gwiazdami neutronowymi, a czarne dziury łączą się z czarnymi dziurami. Nawet odległe zderzenia ciał niebieskich mogą wywołać potężne zmarszczki, które można wykryć za pomocą teleskopów i instrumentów kosmicznych i naziemnych. Wiele z tych zjawisk jest nieprzewidywalnych pod względem tego, gdzie i kiedy wystąpią w następnej kolejności.

NASA ma dwa satelity „obserwacyjne” o szerokich polach widzenia, które wysyłają alerty w przypadku wykrycia nagłego pojaśnienia promieniowania gamma: Fermi i Swift. Obserwator błysków gamma Fermiego, Teleskop Wielkopowierzchniowy i Teleskop Alarmowy Swift Burst to kluczowe instrumenty, które mogą być pierwszymi, które wykryją te zdarzenia.

„Kiedy dzieje się coś impulsywnego, kiedy coś eksploduje i eksploduje, albo coś zostaje zmiażdżone i zawalone, tak się dzieje” – powiedziała Valerie Connaughton, która kieruje portfolio astrofizyki wysokich energii oraz inicjatywą Time-Domain and Multimessaging Astronomy Initiative w dziale astrofizyki NASA. Siedziba w Waszyngtonie.

Gdy naukowcy otrzymają ostrzeżenie na swoich komputerach i telefonach, być może będą mogli połączyć siły z innymi teleskopami, aby śledzić wydarzenie. Wykorzystując różnorodne obserwatoria i instrumenty kosmiczne do badania tych wysoce nieprzewidywalnych rozbłysków, naukowcy mogą poskładać w całość to, co, gdzie, kiedy i dlaczego zaobserwowali „przeskok” w zwykłej ciszy przestrzeni kosmicznej.

Po porównaniu obserwacji łodzi za pomocą kilku teleskopów naukowcy ustalili, że ta niezwykle jasna eksplozja pochodzi z supernowej, a konkretnie z zapadnięcia się jądra szybko rotującej masywnej gwiazdy. A później, z danymi z NASA Nustara Podczas misji naukowcy odkryli, że strumień materii uwolnionej z eksplodującej gwiazdy miał bardziej złożony kształt, niż początkowo sądzono.

„„Właśnie eksplodowała gigantyczna gwiazda i musimy ją zbadać, dowiedzieć się, co się stało, przeprowadzić inżynierię wsteczną części i złożyć je z powrotem” – powiedział Lesage.

„Astronomia w dziedzinie czasu pozwala nam uzyskać podstawowe odpowiedzi na temat właściwości wszechświata, samej fizyki i pochodzenia pierwiastków”.

— Eric Burns, astrofizyk z Louisiana State University

Nowe jasne sygnały

Zaledwie pięć miesięcy po wysłaniu łodzi naukowcy otrzymali od Fermiego ostrzeżenie o drugim najjaśniejszym rozbłysku gamma obserwowanym w ciągu ostatnich 50 lat. Ten nowszy sygnał to GRB 230307A, które miało miejsce w marcu 2023 r., dołączyło do łodzi w kategorii „długich” rozbłysków gamma, trwających 200 sekund w porównaniu do 600 w przypadku łodzi. Dzięki danym w podczerwieni z NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa WebbaNaukowcy ustalili, że GRB 230307A prawdopodobnie miała zupełnie inne pochodzenie: połączenie dwóch gwiazd neutronowych oddalonych o około miliard lat świetlnych od Ziemi. Co więcej, Webb odkrył rzadki pierwiastek tellur, co na to wskazuje Gwiazda neutronowa Fuzje powodują powstawanie takich ciężkich przedmiotów.

Wynik ten wciąż stanowi zagadkę dla astronomów, takich jak Eric Burns, współautor artykułu GRB 230307A i członek zespołu Fermiego na Louisiana State University. Łączenie się gwiazd neutronowych nie powinno powodować tak długich rozbłysków promieniowania gamma, a obecne modele fizyki atomowej nie wyjaśniają w pełni długości fal średniej podczerwieni odkrytych przez Webba. Ma nadzieję, że Webb pomoże nam dowiedzieć się więcej o tego typu wydarzeniach w ciągu najbliższych kilku lat.

„Astronomia w dziedzinie czasu pozwala nam uzyskać podstawowe odpowiedzi na temat właściwości wszechświata, samej podstawowej fizyki i pochodzenia pierwiastków” – powiedział Burns.

Powyższe zdjęcie wykonane przez instrument NIRCam (kamerę bliskiej podczerwieni) należącego do Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ukazuje rozbłysk gamma (GRB) 230307A i związaną z nim kilonową, a także jej dawną galaktykę macierzystą, wśród jej lokalnego siedliska innych galaktyk i gwiazd na pierwszym planie. GRB były prawdopodobnie zasilane przez połączenie dwóch gwiazd neutronowych. Gwiazdy neutronowe zostały wyrzucone ze swojej macierzystej galaktyki, pokonując odległość około 120 000 lat świetlnych, czyli mniej więcej średnicę Drogi Mlecznej, zanim ostatecznie połączyły się kilkaset milionów lat później. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

Wielu posłańców

Kosmiczni „posłańcy” powiązani z przejściowymi błyskami kosmicznymi również pomagają naukowcom zrekonstruować ich pochodzenie. Wstępna detekcja fal grawitacyjnych w 2015 roku przez klocki LegoLaserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych pokazało, że wszechświat można obserwować w zupełnie nowy sposób i otworzyło nową erę, w której można wykorzystać wielu posłańców do badania nagłych wahań we wszechświecie.

W 2017 roku naukowcy wykazali taką możliwość, łącząc obserwacje fal grawitacyjnych z danymi z kilku różnych obserwatoriów naziemnych i kosmicznych, aby zbadać kilonową, czyli połączenie gwiazd neutronowych, nazwaną GW170817. Wśród wniosków wynikających z szeroko zakrojonych badań tych kilonowych Burns i jego współpracownicy wykorzystali je do dokonania pierwszego precyzyjnego pomiaru prędkości grawitacyjnej, co stanowi „ostatnie ważne potwierdzenie przewidywań Einsteina” – powiedział.

Obecnie sieć LIGO, wspierana przez amerykańską Narodową Fundację Nauki, europejską instytucję VIRGO i japońską KAGRA, poszukuje zdarzeń związanych z falami grawitacyjnymi.

Na tej ilustracji skazane na zagładę gwiazdy neutronowe wirują ku swemu upadkowi. Fale grawitacyjne wysysają energię orbity, powodując, że gwiazdy zbliżają się do siebie i łączą. Kiedy się zderzają, część szczątków zostaje wydmuchana w strumieniach cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła, tworząc krótki rozbłysk promieniowania gamma. Źródło obrazu: Centrum lotów kosmicznych NASA Goddard/Laboratorium obrazów koncepcyjnych

Światło to jedyny rodzaj „posłańca” wszechświata, który wykryto zarówno w przypadku łodzi, jak i rozbłysku gamma, w wyniku którego prawdopodobnie wytworzył się tellur. W ramach eksperymentu IceCube prowadzonego w pobliżu Antarktydy, wspieranego przez NSF, szukano wysokoenergetycznych neutrin pochodzących z tego samego obszaru nieba, co każde zdarzenie, ale żadnego nie znaleziono. Jednak brak zaobserwowanych neutrin pomaga naukowcom ograniczyć możliwości wystąpienia tych zdarzeń.

„To podejście polegające na wielokrotnym przesyłaniu wiadomości jest ważne nawet wtedy, gdy nie ma możliwości wykrycia” – stwierdziła Michela Nigro, astrofizyk i adiunkt na Louisiana State University. „To naprawdę pomaga wykluczyć niektóre scenariusze, a także powiedzieć nam coś nowego, gdy dokonamy odkryć”.

Obiecująca przyszłość

Dla Lesage’a, który pisze pracę magisterską na łodzi, astronomia w dziedzinie czasu i liczne powiązania są ekscytującym obszarem badań. On i inni astronomowie nadal pływają na tej samej łodzi, obserwując wszystkie procesy ujawnione przez wyjątkowo jasne światło tego intensywnego zdarzenia. Z pewnością jednak nadejdą bardziej przejściowe zdarzenia, które utrzymają naukowców w napięciu, ścigając ich za pomocą szerokiej gamy teleskopów i instrumentów.

„To tylko przemijające wydarzenia, spójrz teraz, bo przegapisz to” – powiedział Lesage. „Zobacz tak szybko, jak możesz”.

Czytaj dalej: Teleskopy w etui

W ciągu najbliższych kilku lat NASA wystrzeli nowe satelity „obserwacyjne”, które pomogą w wyszukiwaniu takich nagłych, przejściowych zdarzeń. Zawiera kilka CubeSatyklasa miniaturowych statków kosmicznych zbudowanych ze standardowych modułów sześciennych o wymiarach 4 cali (10 cm) z każdej strony:

• BurstCubeZostanie wystrzelony w marcu 2024 r. w celu monitorowania sygnałów promieniowania gamma
• BlackCat, który ma zostać wystrzelony w 2025 r., do wykrywania światła rentgenowskiego
• Wybuch gwiazdyZostanie wystrzelony w 2027 r. w celu monitorowania sygnałów promieniowania gamma

Partnerstwa międzynarodowe obejmują także tego typu naukę:

• Tarasy (The Transient Ultraviolet Astronomy Satellite), mały satelita Izraelskiej Agencji Kosmicznej i Instytutu Nauki Weizmanna, posiadający szerokie pole widzenia i specjalizujący się w świetle ultrafioletowym, ma wkład NASA. Oczekuje się, że ma zostać uruchomiony w 2026 roku.

Ponadto teleskopy NASA o innych głównych celach mogą pomóc w wyszukiwaniu tych niezwykłych zdarzeń:

• duchudająca się do bogatej w metal asteroidy Psyche, dysponuje spektrometrem promieniowania gamma, którego astronomowie mogą używać do wykrywania rozbłysków gamma, gdy statek kosmiczny będzie przemieszczał się w stronę celu w ciągu najbliższych kilku lat.
• mądry, który wykonał mapę nieba w zakresie fal podczerwonych, odkrył wiele nowych odległych obiektów i zjawisk kosmicznych. the Nowe drogi Misja, która ponownie wykorzystuje teleskop WISE, skanuje przestrzeń bliską Ziemi w poszukiwaniu potencjalnie niebezpiecznych asteroid.
• Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace należący do NASA, obserwatorium na podczerwień, które rzuci światło na tajemnice starożytnej ciemnej energii i odkryje tysiące egzoplanet, zostało zaprojektowane tak, aby zapewniać szeroki widok nieba i niewątpliwie wychwytuje ulotne sygnały w podczerwieni. Obserwatorium przeprowadzi kilka przeglądów w poszukiwaniu tych zjawisk, a misja będzie wspierać kilka zespołów w badaniu powiązanych tematów, począwszy od gwiazd zmiennych po narodziny czarnych dziur i aktywnych galaktyk. Sonda Roman ma wystartować w maju 2027 r. i będzie także dostarczać powiadomienia o wykrytych zmianach na niebie.
• Misja inspektora obiektów bliskich Ziemi (NEO Surveyor). Detektory podczerwieni posłużą do rozszerzenia poszukiwań asteroid i komet, które mogą stanowić zagrożenie dla Ziemi. Oczekuje się, że zdjęcia wykonane przez NEO Surveyor będą również uchwycić wiele odległych obiektów tła.