2022 októberében a csillagászokat megdöbbentette egy jelenség, amely a BOAT (Brightest of All Time), vagyis minden idők legfényesebb gammakitörése elnevezést kapta. Most egy nemzetközi kutatócsoport arról számolt be, hogy a NASA Fermi-űrtávcsövének adatai egy soha nem látott jellegzetességet – egy nagy energiájú emissziós színképvonalat – tártak fel.

„Néhány perccel a BOAT után, az Univerzum legnagyobb ismert energiájú eseményeinek gammakitörések (GRB-k) megfigyelését végző Fermi-űrtávcső szokatlan energiacsúcsot érzékelt, ami azonnal felkeltette a figyelmünket” – mondta a kutatást vezető Maria Edvige Ravasio, a hollandiai Nijmegenben található Radboud Egyetem munkatársa. „Amikor először megláttam ezt a jelet, libabőrös lettem. Az azóta végzett elemzéseink azt mutatják, hogy ez az első nagy bizonyossággal kimutatott emissziós vonal, amelyet 50 évnyi GRB-kutatás során valaha is észleltek.”

Amikor az anyag kölcsönhatásba lép a fénnyel, az energia elnyelődhet, és jellegzetes módon újra kibocsátódhat. Amikor a detektált fényt szivárványszerűen szétterítjük egy spektrumba, ezek a kölcsönhatások a színképben adott hullámhosszakon elnyelési vagy kibocsátási (emissziós) színképvonalak megjelenését okozzák. Ezek a jellemzők rengeteg információt nyújthatnak a kölcsönhatásban részt vevő kémiai elemekről, valamint a fennálló fizikai körülményekről. Nagyobb energiákon a spektrális jellemzők főként részecskefolyamatokat fedhetnek fel, például az anyag és antianyag annihilációját (azaz az egymással találkozó részecskék és antirészecske-párjaik kölcsönös megsemmisülését), amely gammasugárzást hoz létre.

„Bár korábbi tanulmányok már beszámoltak más GRB-k esetében elnyelési és kibocsátási jellegzetességek lehetséges bizonyítékairól, a későbbi vizsgálatok viszont azt mutatták, hogy ezek mind csak statisztikai ingadozások lehettek. Amit a BOAT-nál látunk, az más.” – mondta Om Sharan Salafia, az olaszországi Milánóban található INAF-Brera Obszervatórium csillagásza, a kutatási eredményeket összegző tanulmány egyik társszerzője. „Megállapítottuk, hogy annak az esélye, hogy ez a jelenség csak egy zajfluktuáció, kevesebb mint egy az ötszázmillióhoz.” A gammakitörések a Világegyetem legnagyobb ismert energiájú folyamatai. A leggyakoribb GRB-k esetében egy nagyon nagy tömegű csillag magja felhasználja fúziós üzemanyagát, majd a saját gravitációja hatására összeomlik, és ez az esemény végül egy gyorsan forgó fekete lyukat hoz létre. A környezetből a fekete lyukba hulló anyag a mozgásával ellentétes irányú részecskenyalábot hoz létre, amely közel fénysebességgel tör át a csillag külső rétegein. Az eddig ismert GRB-k ugyanakkor roppant nagy távolságban történtek, így alapvetően akkor van esélyünk észlelni a jelenséget, amikor az egyik ilyen nyaláb szinte közvetlenül a Föld felé irányul.

A BOAT, hivatalosan nevén a GRB 221009A, 2022. október 9-én tört ki, és azonnal telítette a legtöbb gammasugár-detektort, beleértve a Fermi műszereit is – ez akadályozta a kutatókat abban, hogy megmérjék a robbanás legintenzívebb részét (ugyanakkor a magyar GRBAlpha kisműholddal sikerült méréseket végezni a maximális intenzitás idején is). Rekonstruált megfigyelések és statisztikai érvek alapján, ha a BOAT ugyanabba a kategóriába tartozik, mint a korábban észlelt gammakitörések, akkor valószínűleg az égbolt legfényesebb GRB-je volt az elmúlt 10 000 évben.

A GRB 20220109A spektrumában 12 MeV energiánál észlelt emissziós csúcs a kitörést követő 290–295 másodperc (balra), illetve 300–320 másodperc (jobbra) között. A színes pontok a Fermi-űrtávcső detektoraival mért értékek, a fekete vonalak a mérésekre illesztett modellgörbék; a grafikonok alján pedig a mért és a modellekből számított értékek különbségei láthatóak (Ravasio és mtsai 2024, Science, 385, 6707).

A feltételezett emissziós vonal a kitörés detektálása után közel 5 perccel jelent meg, jóval azután, hogy a GRB annyira elhalványult, hogy a Fermi műszereiben a telítettségi hatások megszűntek. A vonal legalább 40 másodpercig megmaradt, és a kibocsátás körülbelül 12 MeV (megaelektronvolt) csúcsenergiát ért el (összehasonlításképpen, a látható fény energiája 2 és 3 elektronvolt közé esik). A kérdés, hogy mi okozza ezt a korábban sosem észlelt spektrális tulajdonságot. A csapat szerint a legvalószínűbb forrás az elektronok és antirészecskéi, a pozitronok annihilációja. „Amikor egy elektron és egy pozitron összeütközik, annihilálódnak, létrehozva egy 0,511 MeV energiájú gammafoton-párt – mondta Gor Oganesyan társszerző. „Mivel a felénk néző nyalábot vizsgáljuk, ahol az anyag közel fénysebességgel mozog, a kibocsátás jelentős kékeltolódást mutat, azaz a sokkal magasabb energiák felé terelődik.”

Ha ez a feltételezés helyes, akkor ahhoz, hogy egy 12 MeV csúcsenergiájú emissziós vonal képződjön, az annihilálódó részecskéknek a fénysebesség közel 99,9%-ával kellett felénk mozogniuk. „Évtizedek óta tanulmányozzuk ezeket a rendkívüli kozmikus robbanásokat, de még mindig nem értjük teljesen, hogyan működnek ezek a nyalábok” – jegyezte meg Elizabeth Hays, a Fermi-projekt tudósa. „Az ilyen figyelemre méltó emissziós vonalak felfedezése segít a tudósoknak, hogy alaposabban megvizsgálhassák ezt az extrém környezetet.”

A felfedezésről szóló tanulmány a rangos Science folyóirat július 26-i számában jelent meg.

Forrás: NASA News, 2024.07.25.