_ NASA arată înapoi la 50 de ani de știință a exploziei de raze gamma

Acum cincizeci de ani, la 1 iunie 1973, astronomii din întreaga lume au fost prezentați unui nou fenomen puternic și uluitor numit GRB (exploziile de raze gamma). Astăzi, senzorii de pe sateliții care orbitează, cum ar fi misiunile NASA Swift și Fermi, detectează un GRB undeva pe cer aproximativ o dată pe zi, în medie. Astronomii cred că exploziile provin din evenimente catastrofale care implică stele din galaxii îndepărtate, evenimente despre care se crede că produc noi găuri negre.

„Încă îmi amintesc emoția când au fost descoperite exploziile de raze gamma. ”, a declarat Charles Meegan, cercetător de la Universitatea din Alabama, Huntsville, care a ajutat la dezvoltarea detectorilor GRB pe sateliții Compton și Fermi de la NASA. „Eram student absolvent atunci, fără să știam că studiul acestor evenimente ciudate va fi cariera mea în următorii 50 de ani.”

Cu GRB, aproape totul este extrem. Ele apar atât de mult dincolo de galaxia noastră încât chiar și cea mai apropiată explozie cunoscută a explodat la mai mult de 100 de milioane de ani lumină distanță. Fiecare explozie produce un impuls inițial de raze gamma, forma de lumină cu cea mai mare energie, care durează de obicei de la milisecunde la minute. Această emisie provine dintr-un jet de particule care se mișcă aproape de viteza luminii lansată în direcția noastră și, cu cât suntem mai aproape de a privi direct în jos, cu atât mai strălucitoare pare. În urma acestei emisii prompte este o strălucire care se estompează de raze gamma, raze X, ultraviolete, vizibile, infraroșii și lumini radio pe care astronomii o pot urmări timp de ore până la luni.

Chiar și o jumătate de secol după, GRB-urile oferă surprize. O explozie recentă a fost atât de strălucitoare încât a orbit temporar majoritatea detectorilor de raze gamma din spațiu. Supranumită BARCA (pentru cea mai strălucitoare din toate timpurile), explozia de 7 minute poate să fi fost cea mai strălucitoare GRB din ultimii 10.000 de ani. De asemenea, a arătat că cele mai promițătoare modele ale oamenilor de știință ale acestor evenimente nu sunt nici pe departe complete.

Povestea GRB începe în octombrie 1963, când un tratat semnat de Statele Unite, Regatul Unit și Uniunea Sovietică care interzicea a intrat în vigoare testarea armelor nucleare în atmosferă, sub apă sau în spațiu. Pentru a asigura conformitatea, U.S. Air Force a gestionat un efort neclasificat de cercetare și dezvoltare pentru a detecta testele nucleare din spațiu. La o săptămână după intrarea în vigoare a tratatului, primii doi dintre acești sateliți, numiți Vela (din spaniolă „a urmări”), și-au început activitatea.

Lansați în perechi, sateliții Vela transportau detectoare menite să simți fulgerul inițial al razelor X și al razelor gamma de la exploziile nucleare. Uneori au declanșat evenimente care în mod clar nu au fost teste nucleare, iar oamenii de știință au colectat și studiat aceste observații. Cu instrumente îmbunătățite pe cei patru sateliți Vela 5 și 6, Ray Klebesadel de la Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico, împreună cu colegii săi Ian Strong și Roy Olsen, au determinat direcțiile către 16 evenimente confirmate de raze gamma suficient de bine pentru a exclude Pământul și Soarele ca surse. Ei au publicat o lucrare care anunță descoperirea în The Astrophysical Journal la 1 iunie 1973.

Folosind un detector de la bordul satelitului IMP 6 destinat studierii erupțiilor solare, Tom Cline și Upendra Desai de la Centrul de zbor spațial Goddard al NASA în Greenbelt, Maryland, a confirmat rapid descoperirile Vela.

În timp ce teoreticienii au propus 100 de modele într-un efort de a explica GRB-urile – cele mai multe implicând stele neutronice din propria noastră galaxie – progresul observațional a fost lent, în ciuda numărului tot mai mare de detectări de către diferite nava spatiala. Razele gamma nu pot fi focalizate ca lumina vizibilă sau razele X, ceea ce face localizările precise destul de dificile. Fără ele, era imposibil să cauți omologi GRB la alte lungimi de undă folosind telescoape mai mari în spațiu sau pe sol.

În 1991, NASA a lansat Observatorul Compton Gamma Ray, care includea un instrument numit BATSE (Burst and Transient Science Experiment) dedicat explorării GRB-urilor. Dezvoltat la Marshall Space Flight Center al NASA din Huntsville, Alabama, de o echipă care a inclus Meegan, BATSE a fost de aproximativ 10 ori mai sensibil decât detectoarele GRB anterioare. Pe parcursul misiunii de nouă ani a lui Compton, BATSE a detectat 2.704 explozii, ceea ce a oferit astronomilor un set bogat de observații făcute cu același instrument.

În primul său an, datele BATSE au arătat că exploziile au fost distribuite pe tot cerul. într-un model care reflecta structura galaxiei noastre Calea Lactee. „Acest lucru sugerează că provin din galaxii îndepărtate și asta însemna că erau mai energici decât credeau majoritatea oamenilor de știință posibil”, a spus Meegan.

În același timp, Chryssa Kouveliotou, un alt membru al echipei BATSE, a condus un efort de a clasifica exploziile. Echipa a descoperit că duratele exploziei s-au grupat în două grupuri mari - unul care durează mai puțin de două secunde, celălalt care durează mai mult de două secunde - și că exploziile scurte au produs raze gamma cu energie mai mare decât cele lungi.

„Deci. atât proprietățile temporale, cât și cele spectrale au convenit în identificarea a două grupuri separate de GRB: scurt și lung”, a spus Kouveliotou, care acum conduce departamentul de fizică de la Universitatea George Washington. „La scurt timp după, teoreticienii au asociat GRB-urile lungi cu prăbușirea stelelor masive și a celor scurte cu fuziuni de stele binare cu neutroni.”

Următorul pas în înțelegere a venit cu observațiile turnului hidrografic de la satelitul italo-olandez BeppoSAX. Deși nu a fost conceput în mod special ca o misiune GRB, combinația sa de instrumente, inclusiv un monitor cu raze gamma și două camere cu raze X cu câmp larg, s-a dovedit un avantaj pentru câmp.

Când a avut loc o explozie în câmpul vizual al uneia dintre camerele cu raze X, nava spațială ar putea să o localizeze suficient de bine în câteva ore pentru a putea folosi instrumente suplimentare. Ori de câte ori BeppoSAX s-a îndreptat spre poziția unui GRB, instrumentele sale au găsit o sursă de înaltă energie care se estompează rapid și anterior necunoscută - teoreticienii razelor X au prezis-o. Aceste poziții au permis observatoarelor mari de la sol să descopere străluciri lungi de GRB în lumină vizibilă și unde radio și au permis, de asemenea, primele măsurători la distanță, confirmând că GRB-urile erau evenimente cu adevărat îndepărtate.

În 2000, NASA a lansat HETE 2, un satelit mic conceput pentru a detecta și localiza GRB-uri. A fost prima misiune care a calculat pozițiile precise la bord și le-a comunicat rapid, în zeci de secunde, la sol, astfel încât alte observatoare să poată studia fazele timpurii de luminozitate. Explozia pe care a descoperit-o pe 29 martie 2003, a prezentat, de asemenea, caracteristici definitive de supernova, confirmând o relație suspectată între cele două fenomene.

Ceea ce ia luat lui BeppoSAX câteva ore, Observatorul Swift Neil Gehrels de la NASA, lansat în 2004, se poate face în aproximativ un minut. „L-am numit Swift dintr-un motiv”, a spus S. Bradley Cenko de la Goddard, actualul investigator principal al misiunii. „Răspunsul său rapid și automat ne-a permis să detectăm erupții și alte caracteristici în luminile de raze X nevăzute anterior.”

Urmărirea GRB-urilor detectate de aceste misiuni a confirmat că exploziile lungi au fost asociate cu formarea stelelor. regiuni ale galaxiilor și au fost adesea însoțite de supernove. În mai 2005, Swift a reușit să identifice prima strălucire a unui GRB scurt, arătând că aceste explozii au loc în regiuni cu formare mică de stele. Acest lucru a întărit modelul exploziilor scurte ca fuziuni de stele neutronice, care pot călători departe de locul lor de naștere în multe milioane de ani necesari pentru ca acestea să se prăbușească împreună.

În 2008, telescopul spațial Fermi Gamma-ray de la NASA s-a alăturat lui Swift în vânătoarea de GRB și a observat aproximativ 3.500 până în prezent. GBM (Gamma-ray Burst Monitor) și telescopul pentru suprafață mare permit detectarea și urmărirea exploziilor de la raze X până la razele gamma de cea mai mare energie detectate în spațiu – un interval de energie de 100 de milioane de ori. Acest lucru a permis descoperirea razelor gamma ulterioare cu energie de miliarde de ori mai mare decât cea a luminii vizibile.

În 2017, Fermi și satelitul european INTEGRAL au legat un GRB scurt de o sursă de unde gravitaționale, ondulații în spațiu- timpul produs pe măsură ce stelele neutronice orbitale s-au spiralat spre interior și s-au fuzionat. Aceasta a fost o premieră importantă care a conectat doi „mesageri” cosmici diferiți, gravitația și lumina. Deși astronomii nu au văzut o altă explozie de „gravitație și lumină” de atunci, ei speră că vor apărea mai multe în cursurile de observare actuale și viitoare ale observatoarelor undelor gravitaționale.

„Construim noi sateliți cu o sensibilitate mai mare la aprofundați mai mult în acest fenomen, astfel încât viitorul științei GRB este strălucitor”, a declarat Dan Kocevski de la Marshall, membru al echipei Fermi GBM și cercetător principal pentru StarBurst, un satelit mic conceput pentru a explora GRB-urile din fuziunile stelelor neutronice. Alte misiuni includ Glowbug, parte a unui pachet de experimente lansat pe Stația Spațială Internațională în martie și condus de J. Eric Grove la Laboratorul de Cercetare Navală al SUA din Washington; BurstCube, condus de Jeremy Perkins din Goddard și programat pentru lansare la începutul lui 2024; MoonBEAM, care ar orbita între Pământ și Lună și este condusă de Chiumun Michelle Hui de la Marshall; și LEAP, concepute pentru a studia avioanele GRB de la stația spațială, conduse de Mark McConnell de la Universitatea din New Hampshire, Durham.

Și, pe măsură ce instalațiile gravitaționale și cu raze gamma își îmbunătățesc acoperirea, un nou capitol al povestea GRB se va deschide.

„Ceea ce ne va revoluționa complet înțelegerea despre GRB”, a spus Alessandra Corsi, profesor asociat la Universitatea Texas Tech din Lubbock, „va fi capacitatea de a le urmări până când Universul forma cel mai intens stele, cu aproximativ 10 miliarde de ani în urmă. Această parte a universului va fi sondată de următoarea generație de detectoare de unde gravitaționale — de 10 ori mai sensibile decât cele pe care le avem în prezent — și de viitoarele misiuni cu raze gamma care pot asigura continuitatea cu știința fantastică pe care Swift și Fermi au permis-o.”

(Fluierul)