TIM HRVATSKIH znanstvenika u sklopu međunarodne znanstvene kolaboracije MAGIC prvi je u svijetu početkom godine otkrio astronomsku pojavu za kojom se traga desetljećima zbog čega su neki već mislili da možda i ne postoji.

Dana 14. siječnja 2019. tim je teleskopima MAGIC zabilježio najmoćniju vrstu eksplozije u svemiru, provalu gama-zraka (eng. gamma-ray burst, GRB), u području fotona vrlo visokih energija.

Smatra se da GRB-ovi nastaju u srazovima neutronskih zvijezda ili u urušavanju golemih zvijezda u crne rupe. Oni su se do sada bilježili samo u području gama zračenja, ali ne i u području fotona vrlo visokih energija koje se mjere u teraelektronvoltima (TeV). Novo otkriće otvara nove prozore u ovaj fenomen, no također pruža mogućnosti istraživanja temeljnih postavki fizike.

Eksplozije prva otkrila američka vojska dok je špijunirala Ruse

Provale gama-zraka prva je, još prije više od 50 godina, otkrila američka vojska koja je špijunirala Ruse. Naime, Amerikanci su bili uvjereni da se Rusi ne pridržavaju sporazuma o nuklearnom razoružanju pa su ih špijunirali satelitom Vela koji je pratio moguće pojave pojačanog gama-zračenja kakvo je moglo nastajati u testiranjima nuklearnog oružja. U jednom trenutku stvarno su ga zabilježili, međutim, analize su pokazale da dolazi iz svemira, a ne iz Sovjetskog Saveza.

Vojni podaci dugo su bili tajni, a kada su konačno objavljeni, znanstvena istraživanja pokazala su da dolaze iz udaljenih dijelova svemira, često iz galaksija udaljenih milijardama svjetlosnih godina.

Što su GRB-ovi?

Provale gama-zraka kratke su i izuzetno snažne kozmičke eksplozije, koje se iznenada pojavljuju na nebu, otprilike jednom dnevno. Započinju vrlo sjajnim bljeskom, a traju od djelića sekunde do nekoliko stotina sekundi. U nekoliko sekundi oslobode energiju usporedivu s energijom koju emitira naše Sunce tijekom svog cijelog životnog vijeka (oko 10 milijardi godina). 17-metarski teleskopi MAGIC, na otoku La Palma na Kanarima u Španjolskoj, na kojima rade naši znanstvenici, početkom godine otkrili su GRB oznake 190114C potvrdivši prvi put da GRB-ovi emitiraju fotone vrlo visokih energija koje se mjere u teraelektronvoltima (TeV).

Koliko su moćne te eksplozije, objasnio je Nikola Godinović, voditelj hrvatske MAGIC grupe:

”Kada bi bile vidljive očima, provale gama-zraka bi, za vrijeme od par sekundi maksimalnog sjaja, zasjenile sve ostale izvore na cijelom nebu. Nakon toga njihov sjaj satima, pa i danima, polako trne, dok u potpunosti ne zgasne. Kao da je netko upalio ogromnu vatru koja brzo zgasne, a onda žeravica sjaji još danima.”

Novo otkriće toliko je važno da su o njemu u uglednom časopisu Nature objavljena čak dva znanstvena rada – jedan koji je opisao samo otkriće i drugi koji je predstavio i sva druga povezana promatranja svih teleskopa koji su se uključili u praćenje na raznim valnim duljinama.

Zahtjevno otkrivanje GRB-ova

Astrofizičar Tomislav Terzić, voditelj Laboratorija za astročestičnu fiziku Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci, član kolaboracije MAGIC, za Index je objasnio da su i ranije promatrali GRB-ove, no bez uspjeha.

"U prijašnjim opažanjima signal fotona vrlo visokih energija nije bio statistički dovoljno značajan da bismo mogli potvrditi njihovo otkrivanje. Ovaj novi izgledao je slično kao i dosadašnji, međutim, posebno je to što se dogodio relativno blizu, na oko 4,5 milijardi svjetlosnih godina. GRB-ovi se uobičajeno bilježe na puno većim udaljenostima", rekao je Terzić.

Teorijska pojašnjenja do sada su tumačila samo GRB-ove u područjima nižih energija. GRB-ovi su se bilježili satelitima Swift i Fermi koji prate vrlo veliko vidno polje i brzo se okreću, tako da praktički cijelo vrijeme opažaju cijelo nebo. No oni nemaju uređaje za detekciju na vrlo visokim energijama kakve ima MAGIC.

"Tu mi dolazimo u igru. Vidno polje MAGIC-a je malo, samo 3,5 stupnjeva, dok Mjesec sam pokriva oko pola stupnja. To je mali komadić neba. Stoga, kada nama od satelita stigne dojava da su zabilježili neki GRB, mi moramo hitno preusmjeriti svoje teleskope prema izvoru. Teleskopi su dizajnirani tako da se mogu brzo preusmjeriti. Iako svaki od njih teži 64 tone, oni mogu započeti promatranje bilo kojeg položaja na nebu za samo 25 sekundi. MAGIC je uspio započeti promatranje GRB-a 190114C samo 50 sekundi nakon prve satelitske detekcije. Ovaj događaj bio je dovoljno sjajan, dovoljno dugo je trajao i bio je dovoljno blizu. Zbog toga u prijašnjim provalama nismo uspjeli uloviti fotone vrlo visokih energija. Problem je, među ostalim, u tome što gama-zrake tijekom prolaska kroz svemir ulaze u interakcije s raznim zračenjima na koja nailaze – s vidljivom svjetlošću, ultraljubičastim zračenjem, s infracrvenim od prašine i sl. Zrake vrlo visokih energija u tim se interakcijama mogu poništiti stvarajući par čestica koji se sastoji od pozitrona i elektrona. Što je izvor udaljeniji, veća je vjerojatnost da će se to dogoditi. Najudaljeniji do sada zabilježeni GRB dogodio se na 13,1 milijardu svjetlosnih godina. Stoga se fotoni vrlo visokih energija uglavnom poništavaju i uopće ne dolaze do nas", objasnio je astrofizičar.

Tomislav Terzić na podešavanju jednog od teleskopa MAGIC

Što je posebno u novom otkriću?

Značaj novog otkrića, među ostalima, istaknuo je glasnogovornik kolaboracije MAGIC.

"Više od 50 godina nakon otkrića prvih GRB-ova mnogi od njihovih temeljnih aspekata i dalje ostaju nejasni", rekao je Razmik Mirzoyan.

"Otkrivanje emisije gama-zraka iz GRB-a 190114C u novom, TeV prozoru elektromagnetskog spektra, ukazuje na to da su GRB eksplozije još snažnije nego što se do sada mislilo", dodao je.

Tezić kaže da je njihovo otkriće posebno važno zato što se ono što su zabilježili više ne može objasniti dosadašnjim tumačenjem.

"Ono što smo do sada bilježili moglo se objasniti tzv. sinkrotronskim zračenjem koje je jako dobro istraženo. To je fizikalni proces u kojem nabijene čestice prolaze kroz magnetsko polje pa se njihove putanje zakrivljuju u oblik spirale i pritom zrače. Postojali su teorijski modeli koji su govorili da bi mogla postojati i komponenta GRB-ova na vrlo visokim energijama, međutim, to nije bilo sigurno, a nije bilo ni potvrđeno. S ovom promjenom mijenja se tumačenje pojave. Naime, za fotone visokih energija gotovo je nemoguće da su mogli nastati u sinkrotronskom zračenju. Oni su najvjerojatnije nastali u tzv. inverznom Comptonovom raspršenju koje je također dobro poznato, ali nismo znali ima li nekog efekta u GRB-ovima. Što je to? Uobičajeno, kada foton naleti na nabijenu česticu, on joj preda dio svoje energije i rasprši se. Međutim, ako čestica na koju naleti ima visoku energiju, može se dogoditi inverzno Comptonovo raspršenje u kojem čestica može fotonu predati dio svoje energije. Na taj način foton, ako je bio u nižem, vidljivom dijelu spektra ili u području rendgenskih zraka, može postati gama-zraka velike energije. Fotoni koje mi opažamo najvjerojatnije nastaju u tom procesu jer u sinkrotronskom zračenju uobičajeno nastaju fotoni znatno nižih energija. Sve navedeno zbiva se u samim izvorima, a ne na proputovanju kroz svemir", rekao je Terzić.

Postoje dvije vrste GRB-ova – kratkoživući koji traju manje od dvije sekunde i dugoživući koji traju duže. Obično se ovi kraći povezuju sa spajanjem dvije neutronske zvijezde, a duži s kolapsom vrlo masivnih zvijezda u crne rupe. Masivne zvijezde na kraju svojeg života, kada su u fuziji sagorjele sve materijale, od golemih crvenih divova urušavaju se u crne rupe jer im ponestaje tlaka iznutra koji bi se mogao suprotstaviti silama gravitacije. Pri urušavanju u crnu rupu zvijezde rotiraju sve brže i brže, a njihov vanjski dio preostaje kao materijal koji, među ostalim, stvara akrecijski disk. Taj vanjski dio ne mora se urušiti. U tim procesima, zbog rotacija zvijezda, formiraju se snažna magnetska polja i nastaju mlazovi koji idu duž osi rotacije. Ti uski mlazovi izbacuju dio tvari zvijezde ultrarelativističkim brzinama. Te mlazove uglavnom čine elektroni koji u magnetskom polju zrače sinkrotronski. Tako nastali fotoni sudaraju se kasnije opet s ultrarelativističkim elektronima u mlazu i tu nastaje inverzno Comptonovo raspršenje koje im daje dodatnu energiju, tako da postaju gama-zrake visokih energija.

Uzbuna u krevetu usred noći

"Prema teoriji očekivalo se da bi u dugoživućim GRB-ovima moglo postojati zračenje u visokim energijama koje smo sada potvrdili. Mi smo u našem slučaju zadnji signal vidjeli oko pola sata nakon početka eksplozije. Budući da se u GRB-ovima sve događa jako brzo, mi u softveru svojih teleskopa imamo ugrađenu proceduru koja nakon dolaska alarma sa satelita da je uočen GRB automatski oduzima kontrolu ljudima koji rade opažanja i okreće teleskope prema izvoru. Nakon toga opažači mogu prekinuti proceduru kako bi nastavili svoja promatranja, no za to moraju dobiti dozvolu nadležnih GRB 'zastupnika'. Njih se tada nazove, obično ih se diže iz kreveta ako nisu na drugoj strani svijeta i kaže im se: 'Imamo GRB, što da radimo? Da nastavimo promatranja ili da prekinemo?' Taj zastupnik onda odlučuje hoće li se opažanje nastaviti. U našem slučaju zastupnik se malo nećkao pa je noćni telefonski poziv dobila naša astrofizičarka Dijana Dominis Prester (na naslovnoj slici) koja je u to vrijeme bila glavna odgovorna za sigurnost i organizaciju rada na teleskopima. Nazvao ju je naš kolega Saša Mićanović koji je tada obavljao promatranja na teleskopima na La Palmi. Ona je, na sreću, odlučila da se promatranje nastavi", priča nam Terzić.

"Dakle, do sada nije bilo jasno javlja li se inverzno Comptonovo raspršenje u GRB-ovima. Postojali su samo teorijski modeli koji su predviđali da postoji. Na razvoju takvih modela radi Željka Bošnjak s FER-a, članica hrvatske grupe u MAGIC-u, a mi smo sada eksperimentalno dokazali da raspršenje postoji. Bilo je moguće da ta pojava uopće ne postoji. Tada je nitko ne bi ni otkrio, no također je postojala mogućnost da ju otkrijemo tek za nekoliko godina pomoću niza Čerenkovljevih teleskopa (CTA, https://www.cta-observatory.org/), budućeg velikog opservatorija koji će opažati u istom području energija kao MAGIC, ali će biti još osjetljiviji", rekao je Terzić.

Objasnio je koliko su moćne zrake koje su zabilježili.

"Analiza podataka prikupljenih u prvih desetak sekundi otkrila je emisiju fotona koja je tisuću milijardi puta veća od energije fotona vidljive svjetlosti. Ona je bila čak 100 puta intenzivnija od najsjajnijeg poznatog stalnog izvora gama-zraka, maglice Rakovice. Tako je trenutno GRB 190114C pravi rekorder - najsjajniji je poznati izvor TeV fotona", rekao je Terzić.

Mogući prozor u novu teoriju svega

Terzić, koji je koordinator radne grupe koja prikupljene podatke koristi za eksperimentalno proučavanje teorija kvantne gravitacije, tumači da je otkriće za njega važno i zbog toga što predstavlja mogućnost za testiranje fundamentalnih fizikalnih zakona.

"Signal iz GRB-a 190114C koristimo kako bismo ispitali kreću li se fotoni energije TeV kroz svemir jednako kao i oni nižih energija", poručio je pa protumačio zašto je to bitno.

"Einsteinova opća teorija relativnosti izuzetno dobro opisuje što se događa s masivnim objektima na velikim udaljenostima. Međutim, kada se spustimo na mikroskopske skale, u domenu kvantne mehanike, opća teorija relativnosti nije dobar opis prirode. Kvantni opis gravitacijskog međudjelovanja jedno je od najvažnijih pitanja današnje fizike i među najvećim znanstvenim izazovima. Prema nekim modelima kvantne gravitacije, fotoni vrlo visokih energija ponašaju se drukčije od fotona niskih energija. Ti efekti izrazito su mali, ali za fotone energija TeV ili viših koji prelaze kozmičke udaljenosti, sitni efekti mogli bi se akumulirati dovoljno da ih uspijemo izmjeriti. Zato nam je signal iz GRB 190114C vrlo zanimljiv u našoj eksperimentalnoj potrazi za efektima kvantne gravitacije. Rezultati naših istraživanja mogu teoretičarima koji se bave razvojem teorije kvantne gravitacije poslužiti kao smjerokaz za daljnja istraživanja", zaključio je naš astrofizičar.

Doprinos znanstvenika hrvatske MAGIC grupe

Radove u časopisu Nature supotpisuju znanstvenici s pet hrvatskih institucija: Sveučilište u Splitu - FESB (Nikola Godinović - voditelj grupe, Damir Lelas, Ivica Puljak, Darko Zarić); Sveučilište u Rijeci, Odjel za fiziku (Dijana Dominis Prester, Marina Manganaro, Saša Mićanović, Tomislav Terzić), Sveučilište u Zagrebu - FER (Ana Babić, Željka Bošnjak, Stefan Cikota); Institut Ruđer Bošković (Tihomir Surić, Iva Šnidarić,) i Sveučilište u Osijeku Josip Juraj Strossmayer, Odjel za fiziku (Dario Hrupec). Članovi hrvatske MAGIC grupe doprinijeli su na više načina ovom iznimno važnom otkriću prisustva gama-zraka energije TeV u popratnom sjaju GRB-a. Saša Mićanović je bio član tima koji je u noći 14.  siječnja 2019. godine na opservatoriju prikupio podatke. Kako je hrvatska grupa u kolaboraciji MAGIC zadužena za provjeru kvalitete prikupljenih podataka i za detaljno praćenje performansi teleskopa, Ana Babić i Darko Zarić napravili su detaljnu analizu performansi teleskopa potrebnih za određivanje parametara analize signala u kojoj su u najvećoj mogućoj mjeri iskorišteni svi prikupljeni podaci. Željka Bošnjak sudjelovala je u razvoju teorijskog modela GRB-a i procesa koji dovode do emisije gama-zraka energija prvi put detektiranih teleskopima MAGIC. Studiju ispitivanja mjerljivih efekata teorija kvantne gravitacije u kolaboraciji MAGIC vodi Tomislav Terzić.