Výzkumy v ASU AV ČR (216): Gama záblesk s neobvyklým optickým dosvitem

Gama záblesky jsou bezpochyby těmi nejjasnějšími ojedinělými událostmi, které se odehrávají obvykle v kosmologických vzdálenostech. Uvolněné zářivé výkony přesahují 10⁴⁷ W, záblesky trvají v širokém rozpětí intervalů od zlomků sekundy po desítek tisíc sekund a jsou jedinečným zdrojem velmi tvrdého gama záření. Záblesk záření gama je často doprovázen dosvitem v měkčích oblastech elektromagnetického záření včetně viditelné a infračervené oblasti. Obecně se předpokládá, že původcem tohoto jevu je katastrofická událost, například kolaps hmotné hvězdy při zažehnutí supernovy typu II nebo srážka kompaktních objektů – neutronových hvězd nebo černých děr. Odborníci jsou přesvědčeni, že emise gama záření pochází z vnitřních disipačních procesů k nimž dochází v látce vyvržené při kataklyzmické události vysokou rychlostí do malého prostorového úhlu. Následná širokopásmová emise je pak spojována s interakcí ultrarelativistického výtrysku s pozaďovou látkou. 

Studium záblesků gama a hledání jejich optických protějšků je náročnou disciplínou. Gama záblesky jsou trvale monitorovány družicemi na oběžné dráze, například přístroji na evropské družici INTEGRAL, na jejímž projektu se podíleli i odborníci z ASU. Přístroje družice mají obvykle široké zorné pole. Jakmile je zaznamenán gama záblesk, palubní software co nejpřesněji určí jeho polohu a tu odesílá ve formě kódované zprávy do pozemní pozorovací sítě. Tyto zprávy přijímají pozemní dalekohledy, které jsou schopny okamžitě přerušit probíhající program a velmi rychle, v řádu desítek sekund, najet na identifikované místo na obloze a zahájit rutinní snímkování s cílem odhalit optický protějšek a sesbírat o něm maximum informací. 

Autoři představovaného článku se věnovali detailní studii záblesku s označením GRB 190919B, který byl přístrojem IBAS na družici INTEGRAL zaznamenán krátce před půlnocí 19. září 2019 na jižní obloze. Událost byla velmi rychle zaměřena, což umožnilo rychlé odeslání zprávy do pozorovací sítě. Jako první se na místo zaměřil 30centimetrový dalekohled FRAM, který rutinně slouží k měření průzračnosti zemské atmosféry v rámci astročásticové observatoře Pierra Augera v Argentině a je pod správou Fyzikálního ústavu AV ČR. Dalekohled obdržel zprávu o záblesku 34,6 sekundy po jeho spatření na družici INTEGRAL, přerušil rutinní pozorovací program a urychleně najel na indikované místo v souhvězdí Mikroskopu. První snímek byl pořízen již 53,6 sekundy po začátku záblesku. Dalekohled následně pořídil před-definovanou sadu pozorování. Jako další se zapojil 60centimetrový dalekohled BOOTES-5 na observatoři San Petro Martir, a to o 3,33 hodiny později. Ještě později byla pořízena série snímků dalekohledem BOOTES-3 na Novém Zélandu. Jeho pozorování byla započata 9 hodin po záblesku. 

Ani vysokoenergetická pozorovací flotila nelenila. Kromě družice INTEGRAL sledovala tento záblesk i družice Swift, která cíl sledovala po dobu 3000 sekund přibližně 8,3 hodiny po záblesku. Tato datová sada umožnila postihnout vysokoenergetické spektrum zdroje. Další podobná pozorování byla pořízena asi 35 hodin po záblesku, ale to už byl objekt velmi slabý a proto byla měření označena jako nespolehlivá. 

Bohatá pozorovací sada byla vyhodnocována rozsáhlým týmem autorů pod vedením Martina Jelínka z ASU. Za zmínku jistě také stojí, že část práce vykonala v rámci svého bakalářského projektu studentka MFF UK Alžběta Maleňáková. Měření z družice INTEGRAL byla zpracována zcela standardními postupy. Záblesk vykazoval zajímavý časový vývoj, kdy relativně slabší první puls byl následován dvěma epizodami náhlé emise gama záření. Vzhledem k tomu, že jejich časové průběhy jsou jiné, mohla být hned eliminována teorie, že jde ve skutečnosti o jediný puls, pouze spatřený dvakrát z důvodu gravitačního čočkování v extrémním prostředí. Celková délka pulsu gama záření činí necelých 30 sekund s náznakem další emise asi o 2 minuty později. Vysokoenergetické spektrum zdroje nejlépe vyhovuje modelu mocninného zákona s hranou. Celková vyzářená izotropická energie byla odhadnuta na 3,6×10⁴⁶ J. Celkově se tedy GRB 190919B jeví jako relativně slabý s „měkký“ s výjimkou možné detekce vysokoenergetické komponenty v pásmu kolem 200 keV. 

V optické oblasti světelná křivka vykazovala dvě dobře patrná maxima následovaná velmi rychlým poklesem. Obě maxima se podařilo vystihnout analytickým modelem, který umožnil stanovit časy obou maxim. Model velmi dobře vystihl světelnou křivku poskládanou z měření ze tří různých dalekohledů, což svědčí o jeho vysoké vypovídající hodnotě. 

Modelová světelná křivka byla pak využita při konstrukci spektrálního rozdělení energie zdroje. Jednotlivá pozorování pořízená v širokém rozsahu energií elektromagnetického záření byla získána v různých fázích jevu a musela být tak korigována právě modelem světelné křivky. Přestože byly jednotlivé příspěvky získány ve třech poměrně vzdálených časových epochách, po přepočtu bylo možné zkonstruovat spektrum odpovídající mocninnému zákonu. 

Autoři věnovali i nemalé úsilí hledání zjasnění ve vysokoenergetické oblasti spektra, které by časově odpovídalo pozorovanému zjasnění v oblasti optické. Objevili zde náznak nárůstu záření, jehož statistická významnost téměř dosáhla hodnoty 3σ. To není mnoho s ohledem na to, že hlavní záblesk měl statistickou významnost téměř 24σ. Na druhou stranu, náhodně zvolené intervaly vykazovaly významnost výrazně nižší. Pokud je toto zjasnění kolem 2 minut po záblesku reálné, bylo by jeho záření spektrálně výrazně tvrdší než záření pozdějšího optického dosvitu. 

Celkově vzato lze světelnou křivku interpretovat jako dvě po sobě následující události. Nejprve prudký nárůst jasnosti a první puls byly zřejmě důsledkem probíhající aktivity vnitřních procesů. Jejich dynamika není vázána na vlastnosti rozpínající se obálky a proto zde procesy mohou probíhat výrazně rychleji. Autoři odhadují, že spatřili již jen dozvuky závěrečných procesů. Druhý puls je již klasickým projevem pozorovaným u gama záblesků, kdy rázová vlna výtrysku proniká prostředím s konstantní hustotou. 

Gama záblesky stále zůstávají tak trochu záhadou již od svého objevu v 60. letech minulého století. Komplexní popis elektromagnetického záření celé události je jedinou možností jak uspět v jejich interpretaci. A tak každá studie podobná té představované nás posouvá vývoji konečného modelu. 

REFERENCE

M. Jelínek, M. Topinka a kol., GRB 190919B: Rapid optical rise explained as a flaring activity, Astronomy & Astrophysics v tisku, preprint arXiv:2203.11059

KONTAKT

Mgr. Martin Jelínek, Ph.D.
martin.jelinek@asu.cas.cz
Stelární oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Stelární oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.