BOAT: Nejjasnější gama záblesk všech dob GRB 221009A ionizoval atmosféru Země a překonal fyzikální škály

Rentgenová záře a prstence rozptylu na mezihvězdném prachu Mléčné dráhy kolem záblesku GRB 221009A (přezdívaného BOAT – Brightest Of All Time). Kompozitní snímek pořízený teleskopem XRT na palubě observatoře Neil Gehrels Swift a družicí XMM-Newton odhaluje soustředné prachové kruhy vzdálené tisíce světelných let v naší Galaxii. Kredit: NASA / Swift / Andrea Melandri (INAF) / ESA

Dne 9. října 2022 v 13:16:59 světového času (UTC) zaregistrovala celá mezinárodní flotila astrofyzikálních družic záblesk záření tak nepředstavitelné intenzity, že doslova přepsal tabulky pozorovacích rekordů. Událost označená jako GRB 221009A, která se odehrála v souhvězdí Šípu ve vzdálenosti přibližně 2,4 miliardy světelných let od Země, si mezi astronomy okamžitě vysloužila přezdívku BOAT – akronym pro Brightest Of All Time (nejjasnější všech dob).

Záblesk byl v rentgenovém a gama oboru natolik oslepující, že okamžitě zahltil a saturoval detektory většiny přístrojů na oběžné dráze, včetně prestižních misí NASA Fermi Gamma-ray Space Telescope a Neil Gehrels Swift Observatory. Fotonová vlna byla tak mohutná, že způsobila přímo měřitelnou ionizaci a poruchy v horních vrstvách zemské atmosféry. Statistické rozbory ukazují, že událost této intenzity se v pozorovatelném vesmíru pro pozemského pozorovatele objeví přibližně jednou za deset tisíc let.

Záblesk, který vyřadil detektory: Anatomie BOATu

Gama záblesky (GRB – Gamma-Ray Bursts) jsou nejenergetičtějšími explozemi ve vesmíru od dob Velkého třesku. Běžně trvají od zlomků sekundy po několik desítek sekund a dělí se na dvě základní třídy:

1. Krátké záblesky (trvání do 2 sekund): způsobené splynutím kompaktních těles (dvou neutronových hvězd či neutronové hvězdy a černé díry).
2. Dlouhé záblesky (trvání nad 2 sekundy): vyvolané gravitačním kolapsem extrémně masivních a rychle rotujících hvězd (tzv. kolapsary).

GRB 221009A patřil do kategorie dlouhých záblesků. Jeho úvodní vysokoenergetická fáze trvala přes 300 sekund a celkový dosvit byl detekovatelný napříč celým elektromagnetickým spektrem ještě mnoho měsíc🪐 AstroWiki EncyklopedieMěsícMěsíc je jediný přirozený satelit Země, pátý největší měsíc Sluneční soustavy, těleso vzniklé obřím impaktem protoplanety Theia a dosud jedi...Otevřít heslo v encyklopedii →ů poté. Čínská pozemní observatoř LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), ležící v nadmořské výšce 4 410 metrů v provincii S’-čchuan, zaznamenala během prvních minut více než 60 000 fotonů s energiemi přesahujícími 100 gigaelektronvoltů (GeV).

Absolutní senzací se stala detekce fotonu o energii přibližně 18 teraelektronvoltů (TeV), a dokonce kandidáta na foton o energii neuvěřitelných 251 TeV! Tyto hodnoty znamenaly pro astrofyziky obrovskou teoretickou výzvu. Fotony s tak extrémní energií by na své cestě vesmírem dlouhé 2,4 miliardy let měly téměř jistě zaniknout při srážkách s fotony mezigalaktického pozaďového světla (EBL – Extragalactic Background Light) za vzniku elektron-pozitronových párů. Skutečnost, že tyto fotony dorazily k Zemi, podnítila diskuse o možné oscilaci fotonů do hypotetických lehkých částic temné hmoty (axion-like particles) či o jemných korekcích Lorentzovy invariance v rámci kvantové gravitace.

Ekvivalentní izotropní energie uvolněná tímto zábleskem (E_iso) přesáhla 10⁵⁵ ergů (10⁴⁸ Joulů). Pokud by tento záblesk vyzařoval energii rovnoměrně do všech směrů, odpovídalo by to okamžité přeměně zhruba pěti celých hmotností našeho Slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii → na čistou energii podle Einsteinova vzorce E = mc² během pouhých několika minut. Ve skutečnosti však bylo záření koncentrováno do extrémně úzce kolimovaného relativistického výtrysku mířícího takřka přesně k Zemi s Lorentzovým faktorem Γ přesahujícím 400.

            Schéma kolapsaru a relativistického výtrysku GRB 221009A
              /                                                            /     Ultra-relativistický polární jet                        /      (Lorentzův faktor Γ > 400, úzký kužel ~1°)              /                                                        ========================================================================> K ZEMI
           \                                                     /
            \      Hroutící se masivní Wolf-Rayetova hvězda      /
             \     s nově zrozenou centrální černou dírou       /
              \                                               /

Pozemský dopad: Kosmická rána pro naši ionosféru

Dopad BOATu nebyl omezen pouze na data v archivech kosmických teleskopů. Fotonový impuls zasáhl samotnou Zemi a vyvolal výraznou reakci v zemské ionosféře – elektricky vodivé vrstvě atmosféry rozprostírající se ve výškách od 60 do zhruba 600 kilometrů.

Přístroje na družici CSES (China Seismo-Electromagnetic Satellite) a pozemní měřicí stanice velmi dlouhých rádiových vln (VLF – Very Low Frequency, 3 až 30 kHz) zaznamenaly náhlou poruchu ionosféry (SID – Sudden Ionospheric Disturbance). Rentgenové a gama fotony masivně ionizovaly atomy kyslíku a dusíku ve vrstvách D a E zemské ionosféry:

• Došlo k prudkému nárůstu volné elektronové hustoty na denní i noční polokouli.
• Odrazná výška ionosféry pro rádiové vlny klesla o několik kilometrů.
• Rádiové signály používané námořnictvem pro komunikaci s ponorkami vykázaly náhlou změnu fázového posuvu a amplitudy.

Tento jev poskytl vědcům vzácný testovací případ planetární obrany a astrobiologie. Pokud by se podobný kolapsar nacházel nikoliv v cizí galaxii za miliardami světelných let, ale v naší vlastní Mléčné dráze ve vzdálenosti několika tisíc světelných let a mířil na nás, příval záření by zcela zničil ozonovou vrstvu, vyvolal masivní fotochemický smog z oxidů dusíku a způsobil globální ekologický kolaps.

Rentgenové ozvěny: Prachové prstence mapují naši Galaxii

Jedním z vizuálně nejúchvatnějších důsledků záblesku GRB 221009A byl vznik gigantické soustavy rentgenových prachových prstenců (tzv. světelné ozvěny). Tyto prstence zachytil rentgenový teleskop XRT na observatoři Swift a evropská družice XMM-Newton.

Prstence vznikly jednoduchým geometrickým rozptylem:

• Intenzivní pulz rentgenového záření ze záblesku prolétal na své cestě k Zemi prachovými mračny v naší vlastní Mléčné dráze.
• Rentgenové fotony se na zrnech mezihvězdného prachu rozptýlily pod velmi malými úhly.
• Vzhledem k tomu, že rozptýlené fotony urazily nepatrně delší dráhu než fotony letící přímo, dorazily k detektorům se zpožděním hodin až týdnů.

Na snímcích se tak vytvořilo více než 20 soustředných prstenců, které se v čase zdánlivě rozpínaly na obloze. Tento jev posloužil jako dokonalá rentgenová tomografie Mléčné dráhy. Z úhlové rychlosti rozpínání prstenců a známého zpoždění dokázali astronomové s milimetrovou relativní přesností spočítat trojrozměrnou polohu a hustotu prachových vrstev v ramenech naší Galaxie ve vzdálenostech od 1 000 do více než 60 000 světelných let.

Pátrání po mateřské supernově: JWST a objev SN 2022xiw

Podle zavedené teorie kolapsarů musel být mateřským tělesem záblesku GRB 221009A masivní hvězdný obr – pravděpodobně Wolf-Rayetova hvězda s hmotností převyšující 20 až 30 hmotností Slunce, která přišla o svou vodíkovou obálku. Po vyčerpání jaderného paliva se její jádro zhroutilo do černé díry a zbytek hvězdy měl explodovat jako extrémně energetická supernova typu Ic-BL (Broad-Lined).

Problémem však byl neuvěřitelně jasný dosvit samotného záblesku, který po celé měsíce zářil tak oslnivě, že jakoukoliv supernovu zcela přesvítil. Teprve v dubnu 2023, zhruba půl roku po explozi, zaměřil mezinárodní tým vedený Peterem Blanchardem z Northwestern University na místo záblesku Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST).

Výsledek byl pro teoretiky překvapením:

• Spektrograf NIRSpec a kamera MIRI na palubě JWST úspěšně detekovaly mateřskou supernovu, která dostala označení SN 2022xiw.
• Supernova však byla překvapivě obyčejná. Její absolutní jasnost i množství vyvržené radioaktivní hmotnosti niklu (⁵⁶Ni) byly zcela průměrné, srovnatelné s běžnými supernovami spojenými s mnohem slabšími gama záblesky.
• MIRI navíc v infračerveném spektru nenašel žádné stopy po masivní produkci těžkých prvků r-procesu (jako tellur či platina).

To vedlo k zásadnímu astrofyzikálnímu závěru: monstrózní energie záblesku BOAT nebyla dána výjimečností samotné exploze hvězdy, nýbrž extrémní efektivitou a úzkou geometrií relativistického výtrysku, který nasměroval takřka veškerou energii přímo do zorného pole pozemských pozorovatelů.

„Událost BOAT byla pro naši generaci událostí typu ‚jednou za život‘. Překonala všechny historické záznamy v naší databázi o více než řád. Ukázala nám, jak úzce je pozemská atmosféra provázána s ději v hlubokém vesmíru a donutila nás přehodnotit modely šíření ultra-vysokoenergetických fotonů mezigalaktickým prostorem,“ zhodnotil význam měření astrofyzik Eric Burns z Louisiana State University.

Reference

[1] Burns, E., et al. (2023). GRB 221009A: The BOAT of a Century. The Astrophysical Journal Letters, 946(1), L31. DOI: 10.3847/2041-8213/acc39c.
[2] LHAASO Collaboration (2023). A tera–electron volt afterglow from a narrow jet in an extreme speed burst. Science, 380(6652), 1390–1396. DOI: 10.1126/science.adg9328.
[3] Blanchard, P. K., et al. (2024). JWST detection of the supernova associated with GRB 221009A without signatures of r-process nucleosynthesis. Nature Astronomy, 8, 774–783. DOI: 10.1038/s41550-024-02237-4.
[4] O'Connor, B., et al. (2023). A structured jet explains the extreme brightness of the exceptional GRB 221009A. Science Advances, 9(23), eadi1405. DOI: 10.1126/sciadv.adi1405.
[5] Williams, M. A., et al. (2023). The Spectacular Afterglow of the Extreme Gamma-Ray Burst GRB 221009A. The Astrophysical Journal Letters, 946(1), L24. DOI: 10.3847/2041-8213/acbcd1.