W Ziemię uderzył historyczny rozbłysk gamma powstały w wyniku eksplozji gwiazdy

Odkrył potężny rozbłysk gamma Zintegrowany Teleskop Kosmiczny ESA, uderzyć o ziemię. Eksplozja spowodowała poważne zakłócenia w jonosferze naszej planety. Takie zaburzenia są zwykle kojarzone ze zdarzeniami dotyczącymi cząstek energetycznych na Słońcu, ale zdarzenie to było wynikiem eksplozji gwiazdy oddalonej o około dwa miliardy lat świetlnych. Analiza skutków eksplozji może dostarczyć informacji na temat masowych wymierań w historii Ziemi.

Wykrywanie najjaśniejszych rozbłysków gamma

9 października 2022 r. o godz. 14:21 GMT/15:21 CEST kilka wysokoenergetycznych satelitów na orbicie okołoziemskiej zarejestrowało niezwykle jasny i długotrwały rozbłysk gamma (GRB), w tym satelitę Integral należącego do Księżycowej ESA. zadanie.

Wrażenie artystyczne przedstawia wpływ potężnego rozbłysku promieniowania gamma, który znacznie zakłócił jonosferę naszej planety. Jest to wynik rozbłysku promieniowania gamma (GRB) powstałego w wyniku eksplozji supernowej gwiazdy w galaktyce oddalonej o około dwa miliardy lat świetlnych. Źródło: ESA/ATG Europa; CC BY-SA 3.0 IGO

Międzynarodowe Laboratorium Astrofizyczne Promieniowania Gamma (INTEGRAL) zostało uruchomione przez Europejską Agencję Kosmiczną w 2002 roku i od tego czasu niemal codziennie wykrywa rozbłyski promieniowania gamma. Jednak GRB 221009A, jak nazwano eksplozję, nie był zwyczajny. „To był prawdopodobnie najjaśniejszy rozbłysk gamma, jaki kiedykolwiek wykryliśmy” – mówi Mirco Piersanti z Uniwersytetu w L’Aquila we Włoszech i główny autor zespołu, który opublikował te wyniki.

Zrozumienie rozbłysków gamma

Rozbłyski gamma były kiedyś tajemniczymi zjawiskami, ale obecnie wiadomo, że są to wylewy energii z eksplodujących gwiazd zwanych supernowymi lub ze zderzenia dwóch ultragęstych gwiazd neutronowych.

„Mierzymy rozbłyski gamma od lat 60. XX wieku i jest to najpotężniejszy, jaki kiedykolwiek zmierzono” – mówi współautor Pietro Ubertini z Narodowego Instytutu Astrofizyki w Rzymie we Włoszech i główny badacz instrumentu IBIS firmy Intergral. Tak potężny, że jego najbliższy konkurent jest dziesięć razy słabszy. Statystycznie potężne GRB, takie jak GRB 221009A, docierają do Ziemi tylko raz na 10 000 lat.

Wpływ na jonosferę Ziemi

W ciągu 800 sekund, w które uderzyły promienie gamma, eksplozja zapewniła energię wystarczającą do aktywacji detektorów wyładowań atmosferycznych w Indiach. Urządzenia w Niemczech odebrały sygnały wskazujące, że jonosfera Ziemi była przez kilka godzin zakłócona w wyniku eksplozji. Ta ogromna ilość energii podsunęła zespołowi pomysł poszukiwania skutków eksplozji na ziemską jonosferę.

Jonosfera to warstwa górnej atmosfery Ziemi zawierająca naładowane elektrycznie gazy zwane… osocze. Jego wysokość waha się od około 50 km do 950 km. Naukowcy nazywają ją górną stroną jonosfery powyżej 350 km i dolną stroną jonosfery poniżej. Jonosfera jest tak delikatna, że ​​statki kosmiczne mogą okrążać większość jonosfery.

Pierwsza obserwacja zaburzeń jonosferycznych na górnej stronie

Jednym z takich statków kosmicznych jest chiński satelita sejsmiczny elektromagnetyczny (CSES), znany również jako Zhangheng, chińsko-włoska misja kosmiczna. Został wystrzelony w 2018 roku i monitoruje górną część jonosfery pod kątem zmian w jej zachowaniu elektromagnetycznym. Jego podstawową misją jest badanie możliwych powiązań między zmianami w jonosferze a występowaniem zdarzeń sejsmicznych, takich jak trzęsienia ziemi, ale może również badać wpływ aktywności słonecznej na jonosferę.

Zarówno Mirko, jak i Petro należą do zespołu naukowego CSES i zdali sobie sprawę, że jeśli eksplozje GRB wywołają zakłócenia, CSES będzie musiało to zobaczyć. Ale nie mogli być tego pewni. „Szukaliśmy tego efektu w przypadku innych rozbłysków gamma w przeszłości, ale niczego nie zauważyliśmy” – mówi Pietro.

Ta ilustracja pokazuje składniki długich rozbłysków gamma, najpowszechniejszego typu. Jądro masywnej gwiazdy (po lewej) zapadło się, tworząc czarną dziurę, wysyłając strumień cząstek przemieszczających się przez zapadniętą gwiazdę w przestrzeń kosmiczną z prędkością bliską prędkości światła. Promieniowanie w całym spektrum pochodzi z gorącego zjonizowanego gazu (plazmy) w pobliżu nowonarodzonej czarnej dziury, ze zderzeń pomiędzy powłokami szybko poruszającego się gazu w dżecie (wewnętrzne fale uderzeniowe) oraz z przedniej krawędzi dżetu, gdy unosi się on w górę i wchodzi w interakcję z otoczeniem (zewnętrzne fale uderzeniowe). Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA

W przeszłości obserwowano, jak GRB uderzały w dolną część jonosfery w nocy, kiedy wpływ słońca został usunięty, ale nigdy w górną część jonosfery. Doprowadziło to do przekonania, że ​​zanim podmuch dotarł do Ziemi, podmuch z GRB nie był już wystarczająco silny, aby spowodować zmianę przewodnictwa jonosferycznego, co spowodowało różnicę w polu elektrycznym.

Ale tym razem, gdy naukowcy przyjrzeli się temu, okazało się, że mieli inne szczęście. Efekt był wyraźny i mocny. Po raz pierwszy w historii zaobserwowali intensywne zaburzenie w postaci silnej zmiany pola elektrycznego w górnej części jonosfery. „To niesamowite. Widzimy rzeczy, które dzieją się w przestrzeni kosmicznej, ale mają one również wpływ na Ziemię” – mówi Eric Kolkers, naukowiec projektu ESA.

Efekt rozbłysku gamma jest dalekiego zasięgu

W szczególności eksplozje te miały miejsce w galaktyce oddalonej o około 2 miliardy lat świetlnych – dwa miliardy lat temu – a mimo to miały wystarczająco dużo energii, aby uderzyć w Ziemię. Chociaż Słońce jest zwykle głównym źródłem promieniowania wystarczająco silnego, aby oddziaływać na jonosferę Ziemi, GRB dały początek instrumentom zajmującym się badaniem potężnych eksplozji w atmosferze Słońca, znanych jako rozbłyski słoneczne. „Warto zauważyć, że to zaburzenie wpłynęło na niższe warstwy jonosfery Ziemi, która znajduje się zaledwie kilkadziesiąt kilometrów nad powierzchnią naszej planety, pozostawiając ślad podobny do sygnatury dużego rozbłysku słonecznego” – mówi Laura Hayes, badaczka i fizyk słońca w Europejskiej Agencji Kosmicznej. ”.

Implikacje w terenie

Sygnatura ta pojawiła się w postaci wzrostu jonizacji na spodniej stronie jonosfery. Został wykryty w sygnałach radiowych o bardzo niskiej częstotliwości odbijających się pomiędzy Ziemią a niższą jonosferą Ziemi. „Zasadniczo możemy powiedzieć, że jonosfera «przeniosła się» na niższe wysokości, co odkryliśmy na podstawie odbijania się fal radiowych wzdłuż jonosfery” – wyjaśnia Laura, która Wyniki te zostały opublikowane W 2022 r.

Umacnia to pogląd, że supernowa w naszej galaktyce może mieć poważniejsze konsekwencje. „Było wiele kontrowersji na temat możliwych konsekwencji rozbłysku gamma w naszej galaktyce” – mówi Mirko.

W najgorszym przypadku eksplozja nie tylko wpłynęłaby na jonosferę, ale mogłaby również uszkodzić warstwę ozonową, umożliwiając przedostanie się niebezpiecznych promieni ultrafioletowych ze Słońca do powierzchni Ziemi. Spekulowano, że taki efekt jest prawdopodobną przyczyną niektórych znanych wydarzeń masowego wymierania, które miały miejsce na Ziemi w przeszłości. Aby jednak zbadać ten pomysł, potrzebujemy więcej danych.

Teraz, gdy wiedzą dokładnie, czego szukać, zespół zaczął ponownie analizować dane zebrane przez CSES i korelować je z innymi rozbłyskami gamma zaobserwowanymi przez Integral. I chociaż mogą cofnąć się dopiero do 2018 r., kiedy wystrzelono CSES, zaplanowano już kolejną misję, która zapewni, że to fascynujące nowe okno na interakcję Ziemi z nawet bardzo odległym wszechświatem pozostanie teraz otwarte.

Odniesienie: „Dowody na zaburzenia górnego jonowego pola elektrycznego związane z rozbłyskiem promieniowania gamma” autorstwa Mirco Piersanti, Pietro Ubertini, Roberto Battiston, Angela Bazzano, Giulia D’Angelo, James J. Ruddy, Piero Diego, Zima Zerin, Roberto Amendola, Davide Padoni, Simona Bartucci, Stefania Pioli, Igor Bertillo, William J. Berger, Donatella Campana, Antonio Ciccone, Piero Cipollone, Silvia Colli, Livio Conti, Andrea Contin, Marco Cristoforetti, Fabrizio De Angelis, Cinzia Di Donato, Christian De Santis, Andrea De Luca, Emiliano Fiorenza, Francesco Maria Follega, Giuseppe Gebbia, Roberto Yoba, Alessandro Lega, Marco Lolli, Bruno Martino, Matteo Martucci, Giuseppe Massiantonio, Matteo Mergi, Marco Messi, Alfredo Morbidini, Coralie Neubuser, Francesco Nozzoli, Fabrizio Nocelli, Alberto Oliva, Giuseppe Austria, Francesco Palma, Federico Palmonari, Beatrice Panico, Emanuele Babini, Alexandra Parmentier, Stefania Percibali, Francesco Perfetto, Alessio Perinelli, Piergio Picozza, Michele Pozzato, Gianmaria Ribustini, Dario Ricciotti, Esther Ricci, Marco Ricci, Sergio P. Ricciarini, Andrea Rossi, Zuleika Sahnoun, Umberto Savino, Valentina Scotti, Zhuhui Chen, Alessandro Sotgio, Roberta Sparvoli, Silvia Tovani, Nello Vertoli, Veronica Villona, ​​​​Vincenzo Vitale, Ugo Zanoni, Simona Zuffoli i Paolo Zuccone, 14 listopada 2023 r. , Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-023-42551-5