Nejmohutnější exploze ve vesmíru? aneb záhada vzniku záblesků gama „NASA úspěšně vypustila kosmickou sondu Swift, která má zkoumat záblesky gama.” z tiskové zprávy NASA 20. listopadu 2004 Přednáška na Hvězdárně ve Zlíně 23. listopadu 2007 Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1. Úvod 2. Záření gama, jeho vznik a detekce 2.1 Produkce záření gama 2.3 Jak interaguje s hmotou 2.4 Metody detekce 3. Vlastnosti záblesků gama 3.1 Intenzity 3.2 Doby trvání 3.3 Spektra a polarizace 3.4 Vzdálenosti 3.5 Spojitost se supernovami 4. Hypotézy o původu záblesků gama 4.1 Požadované vlastnosti a typy modelů 4.2 Model ohnivé koule („fireball model“) 4.3 Model dělové koule („canonball model“) 4.4 Jaká experimentální data rozhodnou 6. Záblesk gama „blízko“ Země 5. Závěr

Úvod Záření gama – elektromagnetické záření s velmi vysokou energií Vlnová délka: λ ≤ 10-10 m Frekvence : f ≥ 1018 Hz Energie : E ≥ 10 keV ← λ E → Záblesky gama objeveny na začátku 70. let vojenskými družicemi Vela – hledaly záblesky záření gama z jaderných explozí Čas [s] Četnost/sekundu Ruský pokusný jaderný výbuch Zaznamenaly záblesky přicházející Z vesmíru a ne ze Země ↓ Nový typ vesmírných jevů Jeden z prvních zaznamenaných záblesků Družice Vela 5b

Dlouho zůstával záhadou původ jevu Jedná se o velmi energetické procesy Potvrzení kosmologických vzdáleností → jedny z nejenergetičtějších jevů ve vesmíru Družice Compton Sonda INTEGRAL V minulých letech obrovský pokrok sledování: Nové sondy umožňující přesnou pozici záblesku gama Internetová síť – umožňuje rychlou komunikaci a rychlé hledání optických a rentgenových protějšků Sondy s komplexem přístrojů pro celé spektrum Robotické optické dalekohledy na Zemi Zdá se, že se blížíme k pochopení původu záblesků gama Nejnovější družice Swift Robotický dalekohled BOOTES spolupracuje se sondou INTEGRAL

Produkce záření gama Radioaktivní rozpad: Jádro se rozpadem beta nebo alfa rozpadá do vzbuzeného stavu → energie se zbavuje prostřednictvím vyzáření záření gama: Charakteristické diskrétní hodnoty energií Dceřiné jádro Vzbuzené stavy Mateřské jádro Rozpady elementárních částic: Elektromagnetický rozpad částic na fotony: π0 → γ + γ a další podobné Základní stav Brzdné (synchrotronové) záření: Nabitá částice, která se nepohybuje rovnoměrně přímočaře vyzařuje elektromagnetické záření (fotony) – brzdné záření Pohyb nabité částice v magnetickém poli – synchrotronové záření Spojité spektrum energií proton záření gama elektron Obrácený Comptonův jev – rozptyl vysokoenergetických částic na fotonech – fotony získají energii Vznik brzdného záření v poli atomového jádra Urychlovače relativistických částic (synchrotrony) jsou zdrojem brzdného (synchrotronového) záření tunel urychlovače LEP v CERNu

anihilace v klidu – energie záření gama 511 keV Anihilace páru elektron pozitron – částice a antičástice se při anihilaci mění na pár fotonů s energií 511 keV anihilace v klidu – energie záření gama 511 keV anihilace za letu – energie dána kinetickou energií pohybu páru Feynmanův diagram anihilace páru pozitron a elektron a jeho kreace „Tepelné záření“ objektu z velmi vysokou teplotou – maximu spektra je v oblasti záření gama, spektrum má tvar záření absolutně černého tělesa s danou teplotou Spektra záření absolutně černého tělesa pro různé teploty. Vyzařování v gama oblasti ↔ T ≥ 107 K Dopplerův posuv – relativistický pohyb zdroje elektromagnetického záření s nižší energií úzce směrovaný svazek záření gama s úzkou oblastí energií

Jak záření gama interaguje s hmotou 1) Fotoefekt: foton předá energii elektronu v atomovém obalu γ e- 2) Comptonův rozptyl: foton se rozptýlí na elektronu a předá mu část energie e- γ 3) Tvorba párů elektron a pozitron: v poli atomového jádra se vytvoří e+e- pár pozitron po ztrátě kinetické energie anihiluje z elektronem. Produkuje se dvojice kvant gama s E = 511 keV e+ e- γ Kvanta gama s velmi vysokou energií: střídavě brzdné záření a produkce páru elektron pozitron → elektromagnetická sprška složená z velkého množství elektronů, pozitronů a kvant gama

Čím záření gama lovíme? Scintilační detektory – vysoká efektivita, horší energetické rozlišení BaF2, BGO, NaITl Polovodičové detektory – velmi dobré energetické rozlišení HPGe – nutnost chladit na teplotu tekutého dusíku Detektory sondy INTEGRAL Spektrum zářiče 137Cs BGO scintilačního detektoru Prostorové rozlišení: segmentované detektory z více vrstev (3D rozlišení) Spektru zářiče 24Na z HPGe detektoru HPGe spektrometr sondy INTEGRAL

Intenzity záblesků gama Označování záblesků: Gamma ray burst rok měsíc den Záblesk gama pozorovaný 23. ledna 1999 má označení GRB990123a Pořadí v daném dni Intenzity: GRB990123 (energie 40 keV – 2 MeV) detekovaný družicí BATSE: i =26,8∙10-12 J/cm2 Vzdálenost z rudého posuvu (z = 1,6) → → r = 1,27 Gpc = 4,1·109 sv.l = 3,9·1025 m = 3,9·1027 cm Za předpokladu symetrická produkce je intenzita: I = 4·πr2i = 4·3,14·(3,9·1027)2·26,8·10-12 J = 5·1045J Slunce za dobu svého života (10 miliard let) vyzáří ~ 1044 J V případě symetrického zdroje záblesku gama se v sekun- dách vyzáří o řády více energie než Slunce během své existence. Asymetrický zdroj → zmenšení celkové intenzity Srovnání stálého zdroje záření gama (pozůstatek supernovy – Krabí mlhovina) a záblesku gama

Doby trvání a četnost záblesků Doba trvání: ~ms - ~ 1000 s Krátkodobé záblesky: kratší než dvě sekundy ( ~ 25 % případů) Dlouhodobé záblesky: delší než dvě sekundy ( ~ 75 % případů) Existuje struktura v čase – impulsy se střední dobou trvání 0,5 s Příklady časových spekter záření gama záblesků (archív sondy BATSE) GRB000313 - krátkodobý, GRB000526 - dlouhodobý, GRB000323 a GRB000415 – dlouhodobé se strukturou Rychlost světla 300 000 km/s: ~ ms → 300 km - rozměry kompaktních objektů (neutronové hvězdy) ~ 0,5 s → 150 000 km - rozměry hvězd !! Rychlé změny intenzity → velmi kompaktní zdroje !! Četnost záblesků je ~3 denně → ~1000 ročně

Spektrum a polarizace záření gama Sprška fotonů je poměrně úzce rozložena kolem 250 keV, v oblasti 1 – 10 MeV nastává rychlý exponenciální pokles, ovšem spektrum se může táhnout až do desítek GeV Pravděpodobně pozorována korelace mezi pozorováním záblesku a spršky kosmického záření od částice s velmi vysokou energií → fotony s energií až TeV (106 MeV) Časový průběh pro různé energie: (archív sondy BATSE) Energie [MeV] E2NE [10-7J/(cm·s)] Tok [fotony/(cm2s·MeV)] 25 – 50 keV 50 – 100 keV 100 – 300 keV > 300 keV Polarizace: kmity elmg vlnění v jednom směru Různé procesy vedou k různé polarizaci Možnost identifikace probíhajících procesů Zatím získáno jen minimum takových měření (např. u GRB021206) Důležité i měření polarizace viditelného světla u dosvitu Část spektra s nižší energií u záblesku GRB990123

Vzdálenosti zdrojů záblesků gama Četnost vysoká → těžko vysvětlitelné blízkými objekty Izotropní rozložení záblesků gama ↔ indikace kosmologické vzdálenosti jejich zdrojů Nalezení domovské galaxie Rozložení záblesků gama získané sondou Compton, barva označuje Intenzitu zdroje Po opadnutí intenzity optického dosvitu lze pozorovat mateřskou galaxii Snímek dosvitu záblesku GRB971214 na počátku (vlevo) a po pohasnutí, kdy je vidět mateřská galaxie Nutnost nalezení optického protějšku – určení vzdálenosti z rudého posunu (dnešní době nalezeny už desítky takových případů)

Dosvity (radiové, optické a rentgenové protějšky) Byly nalezeny již stovky případů optických, radiových a rentgenových protějšků ve formě dosvitů a určené vzdálenosti jsou v rozmezí rudých posuvů 0,1685 < z < 0,45, trvají řádově hodiny až desítky dnů V některých dosvitek se objevují čáry charakteristické pro supernovy ( GRB030329 ) Souvislost se supernovami Spojení supernovy SN1998bw a záblesku GRB980425 (z = 0,0085 ↔ 30 Mpc = 0,1·109 sv.l.) Nověji supernovy SN2003dh a záblesku GRB030329 (z = 0,169 ↔ 800 Mpc = 2,6·109 sv.l.) Velmi blízká supernova SN1998bw fotografovaná observatoří ESO V některých dalších dosvitech se objevují zjasnění v pozdějších dnech, za které by mohla by být zodpovědná supernova Celková intenzita = dosvit záblesku + svit supernovy + svit mateřské galaxie Na počátku vše přezařuje záře dosvitu (hodiny, dny) Po jejím poklesu je vidět supernova, jejíž záře klesá pomaleji (dny) 3) Nakonec zůstává jen konstantní záře mateřské galaxie Krabí mlhovina pozůstatek po supernově

Modely zdrojů záblesků gama Východiska: 1) kosmologické vzdálenosti 2) vysoké uvolněné energie 3) malé rozměry zdroje 4) pravděpodobně asymetrický průběh Modely založené na vzniku nebo procesech spojených s velmi kompaktními objekty (neutronové hvězdy, černé díry): Srážka a splynutí kompaktních objektů Přeměna neutronové hvězdy na podivnou (kvarkovou) Vznik neutronové hvězdy nebo černé díry při výbuchu supernovy (hypernova, kolapsarový model, model ohnivé koule, model dělové koule) Splynutí dvojhvězdy složené z kompaktních komponent Existují binární pulsary a pravděpodobně i dvojhvězdy s černých děr Vyzařování gravitačních vln → ztráta energie → přibližování → → splynutí → uvolnění velkého množství energie V současnosti se uvažuje spíše jen pro vysvětlení krátkých záblesků gama Splynutí dvojice neutronových hvězd v úměleckých představách (zdroje NASA)

Modely spojené s explozí supernovy (hypernovy) Záblesky gama doprovázejí buď všechny nebo některé výbuchy supernov Model „ohnivé koule“ (Fireball model) Vnitřní kolize hmoty hroutící se hvězdy → extrémní teplota → urychlení částic na relativistické rychlosti → fotony emitované takovým zdrojem jsou úzce směrované a mají velmi vysokou energii Pohyb relativistických elektronů a pozitronů v magnetickém poli → produkce synchrotronového záření Původní představa – symetrický kolaps → vyzařování do všech směrů → uvolnění energie v řádu 1047 J → představa extrémně jasné supernovy – hypernovy Vznikající zhroucením extrémně hmotných Wolf-Rayetových hvězd do černé díry Současná představa – asymetrický průběh ve formě výtrysku ve směru rotační osy vznikajícího při akreci hmoty na vznikající kompaktní objekt – uvažuje se černá díra Výtrysk tuneluje povrch hvězdy (její jádro zkolabovalo) vzniká vnitřní rázová vlna Hvězda je výtryskem a větrem z akrečního disku rozmetána Dosvity - průchod výtrysku hmotou vyvrženou z hvězdy. Kolimace do úhlu ~ 4o → energie v řádu 1044 J Kolapsarový model Zdroj animace – stránky NASA

Model „dělové koule“ Záblesky gama jsou průvodní jevy výbuchů supernov 1) Při výbuchu supernovy se z materiálu, který nezkolaboval vytvoří akreční disk nebo toroid 2) Vyvržení dopadajícího materiálu ve formě oddělených porcí plazmy o hmotnosti ~ MZ (relativistické rychlosti). Zpočátku se rozpínají, pozdějí se rozpínaní zastavuje. Alvaro De Rujula – autor modelu dělové koule 3) Interakce vyvržených porcí plazmy s obálkami plynu vyvržených při konečných stádiích mateřské hvězdy ↓ 4) Plazma se prudce ohřeje a její záření je vlivem dopplerova posuvu posunuto do oblasti záření gama Porcí plazmy může být i několik a jsou vystřelovány do vyčerpání materiálu v akrečním disku Schématický nákres modelu dělové koule

Jaká experimentální data rozhodnou? 1) Co největší počet dosvitů ↔ přesná poloha, co nejrychlejší přenos informace 2) Nalezení souvisejících supernov (pokud existují) a mateřských galaxií Určení vzdálenosti a podstaty zdrojů záření gama 3) Proměření spekter a polarizace záření gama 4) Proměření spekter a polarizace dosvitů v různých oblastech elmg. spektra 5) Pozorování vysokoenergetických částic 6) Zachycení neutrin Identifikace konkrétních probíhajících procesů (tepelné nebo synchrotronové záření?). Identifikace konkrétních vznikajících částic. Obrovským zdrojem dat bude právě vypuštěná sonda Swift (obr NASA)

Jak tato data získáme? Nové družice detekující gama (přesné polohy a spektra) i další obory spektra Detektory kosmického záření Družice Glast (2008) propojení internetovou sítí Experiment Auger Družice Swift (znamenala zlom) robotické dalekohledy Celosvětová síť GRID (obr CERN) Český robotický dalekohled BART (AsÚ Ondřejov) Detektor Kamland detektory neutrin

Potvrzení ultrarelativistických rychlostí při produkci záblesků gamma 9,3 a 11,5 miliard světelných let GRB 060418 a GRB 060607 A Rychlá reakce dalekohledu 39, resp. 41 sekund po nahlášení objevu Z naměřené světelné křivky Náznaky rychlosti vyvrhování materiálu 99,999 % c GRB 060729 velmi dlouhý dosvit – 125 dní (možná uvnitř magnetar?) REM (Rapid Eye Mount) Malý průměr (0,6 m), rychlé nastavení GRB 070110 trvání vysoké konstantní intenzity rentgenu 5 hod Častější vznik v minulosti Zlom v počtu pozorovaných dosvitů mezi léty letech 2004 a 2005 (družice SWIFT): gama rentgen optický radiový záblesk dosvit dosvit dosvit 2003 37 8 15 3 2004 38 8 10 1 2005 109 84 45 13 2006 122 105 64 5 Celkově: 479 248 174 49 První amaterský astronom zachytil dosvit v r. 2003 (Berto Monard v Jižní Africe

Záblesk gama v blízkosti Země Následky ( příklad - Eta Car. – vzdálenost 2 kpc, M ~ 140 MS) : 1) Zásah zářením gama s vysokou energií GRB990123 1,27 Gpc 4,1∙109 sv. l. 2,7∙10-11 J/cm2 Eta Car. 2 kpc 6,5∙103 sv.l. 11 J/cm2 ekvivalent atomové bomby 1 kt TNT na každém km2 Zničení ozónové vrstvy, rázová vlna v atmosféře, gigantické globální bouře a požáry Velmi hmotná hvězda eta Carinae – budoucí supernova A možný zdroj záblesku gama 2) Zásah vysokoenergetickým kosmickým zářením Fotony a částice z velmi vysokou energií ( ~ TeV) → → v atmosféře intenzivní produkce mionů → pronikají hluboko pod vodu i pod zem Normální hustota mionů na povrchu ~10-2 cm-2s-1 Při záblesku gama z ety Car ~5·1010 cm-2 Celotělové ozáření by vedlo k 50 % úmrtnosti do 30 dnů → tříštění jader → radioaktivní prvky v atmosféře Může za vymření dinosaurů blízký záblesk gama? Záblesk gama mohl být zodpovědný za některá hromadná vyhynutí živočichů v minulosti

Závěr 1) V 70. letech byly objeveny záblesky záření gama 2) Zdroje musí být spojeny s velmi energetickými procesy 3) Rychlé časové změny → velmi kompaktní objekty 4) Potvrdilo se, že zdroje většiny záblesků gama mají kosmologické vzdálenosti (rozložení po obloze, četnost, nalezení optických a rentgenových protějšků) 5) Alespoň část spojena se supernovami 6) Modely spojeny s procesy, které probíhají při vzniku nebo existenci velmi kompaktních objektů (neutronových, podivných hvězd, černých děr) 7) Nejvíce přijímané modely s úzce směrovaným výtryskem materiálu při akreci materiálu na vznikající kompaktní objekt a jeho interakci s dříve vyvrženým materiálem 8) Nemusí jít o jediný typ zdrojů a tedy mohou být různé správné modely 9) Blízký záblesk gama → potenciální ohrožení života na Zemi 10) Technický pokrok spojený s vesmírnými gama teleskopy internetem a pozemní robotickými dalekohledy slibuje brzké objasnění podstaty těchto jevů (počet pozorovaných dosvitů v řádech stovek ročně)