Największą eksplozję kosmiczną, jaką zaobserwowano, mogła spowodować antymateria zderzająca się z materią

W tym artykule:

1. Sekrety rozbłysków gamma
2. Rozbłysk o nietypowej właściwości
3. Zagadki dżetów: materia i antymateria

Na Ziemi promieniowanie gamma powstaje na skutek wybuchów jądrowych. Jest to wysokoenergetyczne promieniowanie jonizujące, groźne dla wszystkich żywych organizmów. Miało swój udział w śmiertelnym żniwie, jakie zebrały bomby atomowe zrzucone pod koniec II wojny światowej na Hiroszimę i Nagasaki. Dopiero to złamało opór Japonii i zakończyło wojnę na Pacyfiku.

Jednak promieniowanie gamma powstaje również w kosmosie. Jego źródłem są supernowe i hipernowe, gigantyczne eksplozje związane z ostatnimi stadiami życia bardzo masywnych gwiazd. Gdy do nich dochodzi, powstają rozbłyski gamma (gamma-ray burst, GRB). To przepotężne zjawiska: w kilka sekund uwalniają tyle energii, ile gwiazda taka jak Słońce produkuje przez 10 mld lat.

W październiku 2022 r. zarejestrowano rekordowy rozbłysk gamma. Został oznaczony jako GRB221009A. Jego źródło znajdowało się ok. 2 mld lat świetlnych od Ziemi. Jak powstał ten rozbłysk? Aż do dzisiaj naukowcy nie znali odpowiedzi na to pytanie. W kwietniu tego roku pojawiły się tylko pierwsze przesłanki sugerujące, że był efektem supernowej. Zagadkowe okazało się to, że nie była ona wcale ekstremalnie jasna.

Sekrety rozbłysków gamma

Supernowa to wybuch, w którym gwiazda odrzuca swoje zewnętrzne warstwy. Jej jądro zapada się i może zamienić się w wirującą czarną dziurę. Opadająca na nią materia tworzy dżety – dwa strumienie wystrzeliwujące prostymi liniami z dwóch biegunów czarnej dziury. Poruszają się z prędkością bliską prędkości światła. Dostrzegamy rozbłysk gamma, gdy jeden z dżetów skierowany jest dokładnie w stronę Ziemi.

Rejestrując różne rodzaje promieniowania, naukowcy starają się pozyskać jak najwięcej informacji o jego źródle. Np. szczegółowo analizują widma rejestrowanego światła. Kiedy materia oddziałuje ze światłem, energia może być absorbowana lub oddawana na określone sposoby. W wyniki interakcji pewne kolory (czyli energie) jaśnieją lub ciemnieją, co staje się widoczne, gdy światło zostaje rozłożone na składowe. Tak powstaje widmo zawierające charakterystyczne ciemne paski sygnalizujące np. obecność atomów określonych pierwiastków.

Widma promieni gamma są szczególne – nie mają ani linii emisyjnych ani absorpcyjnych. Z tego powodu nie da się z nich wyczytać wiele dodatkowych informacji.

Rozbłysk o nietypowej właściwości

A jednak nie zawsze tak jest. Rozbłysk GRB221009A okazał się inny niż wszystkie. Naukowcy pod kierunkiem Marii Ravasio z Uniwersytetu Radboud w Nijmegen zidentyfikowali jego linię emisyjną, która pojawiła się 280 s od początku rozbłysku. – Z naszych analiz wynika, że jest to pierwsza linia emisyjna, jaką kiedykolwiek zaobserwowano w ciągu 50 lat badań GRB – mówi Ravasio, główna autorka pracy opublikowanej w „Science”.

Szczególna linia utrzymywała przez 40 sekund. Związana z nią energia osiągnęła 12 MeV (milionów elektronowoltów). Dla porównania, energia światła widzialnego to 2–3 elektronowolty.

Tak wyglądałby kosmos, gdybyśmy potrafili dostrzec promieniowanie gamma. Niezwykła animacja

Wszechświat pełen rozbłyskujących na fioletowo fajerwerków. Tak wygląda niebo na animacji przygotowanej przez NASA. W widowiskowy sposób pokazuje ona kosmiczne źródła promieniowania gamma.

Zagadki dżetów: materia i antymateria

Co mogło być źródłem tego nietypowego rozbłysku? Zespół Ravasio postawił zaskakującą hipotezę. Zdaniem badaczy w dżecie nie było już całych atomów. Mogło w nim natomiast dojść do anihilacji cząstek materii, która zetknęła się z antymaterią.

Naukowcy przypuszczają, że składnikami dżetu były elektrony, które wyparowały po napotkaniu na swojej drodze pozytonów (czyli antyelektronów). Każdemu takiemu zdarzeniu towarzyszy emisja promieniowania gamma. Badacze policzyli, że – jeśli ich interpretacja jest poprawna – poskutkowało to nie tylko gigantyczną energią, ale i prędkością dżeta. Anihilujące cząstki biegły w naszym kierunku z szybkością odpowiadającą 99,9 proc. prędkości światła.

Odkrycie jest pierwszym, które pozwala powiedzieć coś więcej o budowie dżetów i ich otoczenia. – Po dziesięcioleciach badań nadal nie rozumiemy szczegółów działania dżetów – zauważyła Elizabeth Hays, pracująca nad projektem Fermi w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda. – Znajdowanie wskazówek takich jak ta niezwykła linia emisyjna pomoże naukowcom głębiej zbadać to ekstremalne środowisko – dodała badaczka.

Źródło: Science, Phys.org, New Scientist.