Teleskopi MAGIC: Najsnažnije eksplozije u svemiru emitiraju gama-zrake energije tisuće milijardi puta veće od svjetlosti
Kolaboracija MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) objavila je dva rada u časopisu Nature, koje potpisuju i znanstvenici FESB-a, Nikola Godinović, Damir Lelas, Ivica Puljak i Darko Zarić.
MAGIC je 14. siječnja 2019. godine detektirao GRB (eng. Gamma Ray Burst) - provalu gama-zraka, oznake GRB190114C prema datumu detekcije. Nakon elektroničke dojave s dva NASA-ina satelita (Fermi i Swift) o detekciji GRB na nižim energijama, teleskopi MAGIC, sljedeći automatiziranu proceduru prekinuli su trenutno opažanje i već nakon 50 sekundi započeli s prikupljanjem podataka iz dojavljenih nebeskih koordinata. Nakon analize podataka utvrđeno je da je taj kratkotrajni izvor visokoenergijskih gama-zraka energije TeV (tisuću milijardi puta veća energija od energije vidljive svjetlosti) gotovo pola sata bio 100 puta sjajniji nego najsjajniji poznati izvor na ovim energijama, maglica Rakovica. Slika1
Slika 1. Ilustracija detekcije provale gama zraka, na do sada najvećim energijama, teleskopima MAGIC (dolje desno na slici), zahvaljujući dojavi NASA-nih svemirskih detektora Fermi i Swift (gore u sredini i desno).
Teleskopi MAGIC dizajnirani su i izgrađeni prije više od 15 godina, a jedan od strogih zahtjeva na dizajn sustava za usmjeravanje teleskopa, čija je masa 64 tone, bio je sposobnost usmjeravanja u bilo koji dio neba unutar 25 sekundi. Upravo kako bi bio u stanju početi opažanje, što je prije moguće, nakon primitka dojave o detekciji GRB na nižim energijama. Začetnik teleskopa MAGIC, pokojni Eckart Lorentz (MPI - München) vizionarski je inzistirao na takvom dizajnu a vizionarstvo, trud i ustrajnost je nakon više od petnaest godina dala plodove.
Po završetku opažanja i brze analize GRB190114C, MAGIC je nekoliko sati nakon satelitske dojave, poslao novu dojavu o detekciji GRB na nikad do sada izmjerenim TeV energijama. Po dojavi MAGIC-a više od dvadeset različitih instrumenata promatralo je taj dio neba prikupljajući podatke na različitim valnim duljinama kako bi se dobio što detaljniji uvid u fizičke procese odgovorne za nastanak GRB - najsnažnijih eksplozija koje opažamo u svemiru. Rezultati su objavljeni u dva članka u časopisu Nature. Jedan članak o samoj detekciji GRB190114C na vrlo visokim energijama, nikada do sada zabilježenim, a drugi u suradnji s drugim instrumentima koji su izmjerili sjaj ovog GRB na nižim energijama sve do radio valova.
MAGIC-ovi podaci ukazuju da sjaj ovog GRB na energijama TeV nastaje kao rezultat emisijskog procesa na kojeg dosadašnji podaci nisu upućivali. Do sada se za objašnjenje opaženog GRB sjaja najčešće predlagalo sinkrotronsko zračenje visokoenergijskih elektrona koji se gibaju u magnetskom polju, no opažene TeV energije fotona nije moguće objasniti u ovom modelu. Potreban je dodatni proces emisije zračenja. Najvjerojatnije se ovdje radi o inverznom Comptonovom procesu, u kojem dolazi do prijenosa energije s relativističkih elektrona na fotone nižih energija. Najprihvatljivije objašnjenje nastanka GRB je kolaps masivne zvijezde na kraju svog života, ili spajanje binarnih sustava kompaktnih objekata poput neutronskih zvijezda. Pri ovakvim kataklizmičkim procesima stvara se uski mlaz nabijenih čestica koji se izbacuju brzinom bliskom brzini svjetlosti. Interakcija ultrarelativističkog mlaza nabijenih čestica te okolnog plina i magnetskih polja objašnjava izmjereni sjaj GRB, Slika 2.
Slika 2: Ilustracija mehanizma nastanka provale gama-zraka (GRB), kredit NASA/Fermi
Zanimljiva je povijest otkrića provala gama-zraka. Naime sretnom slučajnošću ih je otkrio 1967. godine sustav američkih špijunskih satelita Vela, nadgledajući područje bivšeg Sovjetskog Saveza kako bi detektirali gama-zrake koje nastaju prilikom eksplozije nuklearne bombe. Sustav satelita Vela nije uočio gama-zrake iz eksplozija nuklearne bombe, ali je uočio fenomen nazvan “Gamma-Ray Burst”, provala gama-zraka. Prvi znanstveni članak o GRB kozmičkog porijekla objavljen je, tek 1973. godine, nakon što su do tada prikupljeni podaci postali javno dostupni. Provale gama-zraka kratke su i izuzetno snažne kozmičke eksplozije, koje se iznenada pojavljuju na nebu, otprilike jednom dnevno. Započinju vrlo sjajnim bljeskom, koji se naziva promptna emisija, a traje od djelića sekunde do nekoliko stotina sekundi. Promptna emisija popraćena je takozvanim popratnim sjajem (eng. afterglow) manjeg intenziteta, ali dugotrajnijim i emitiranim u širokom rasponu valnih duljina. Kada bi bile vidljive našim očima provale gama-zraka bi, za vrijeme od nekoliko 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 još sjaji danima …
U blizini teleskopa MAGIC uskoro će započeti opažanja novim većim teleskopom Large Size Telescope - 1 (LST-1) čiji je promjer zrcala 23 m i masa 100 tona, a u čijem je dizajnu i izgradnji doprinijela i hrvatska grupa, Slika 3. Na FESB-u je izgrađen sustav za precizno mjerenje i kalibraciju usmjerenosti teleskopa LST-1. Sustav je dizajniran, izgrađen i testiran u Splitu, nedavno je instaliran na teleskop LST-1 a trenutno se nalazi u fazi puštanja u pogon. Detekcija GRB na energijama TeV teleskopima MAGIC jasna je naznaka da će nova generacija teleskopa LST-1 prikupiti još više podatke iz budućih GRB u području vrlo visokih energija i tako doprinijeti još boljem razumijevanju najsnažnijih eksplozija u svemiru koje se pojavljuju otprilike jednom dnevno u nepredvidiv trenutcima i na nepredvidim lokacijama.
Slika 3. Desno dva teleskopa MAGIC promjera zrcala 17 m, lijevo teleskop LST-1 promjera zrcala 23 m.
Poveznice na dva članka u časopisu Nature:
"Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1750-x
"Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst", https://doi.org/10.1038/s41586-019-1754-6
Kontakt:
Prof. dr. sc. Nikola Godinović (voditelj hrvatske grupe), Sveučilište u Splitu – FESB, mob: 091 517 5314, email: nikola.godinovic@fesb.hr