Výzkumy v ASU AV ČR (242): Okamžitá emise a časný optický dosvit dvou vysokoenergetických gama záblesků

Záblesky záření gama (Gamma-Ray Bursts, GRB) jsou náhlými intenzivními explozemi elektromagnetického záření s výraznými efekty ve vysokoenergetickém spektru v kiloelektronové a megaelektronové oblasti. Celkově se při těchto explozích nárazově uvolňuje energie řádu 10⁴⁴ až 10⁴⁷ joulů. GRB obvykle emitují záření ve dvou po sobě následujících fázích. Nejprve se objeví okamžitá emise, která se projevuje především fotony s energiemi kolem 1 megaelektronvoltu, což odpovídá oblasti tvrdého rentgenového a měkkého gama záření. Pak následuje tzv. dosvit, který se projevuje v oblastech s menšími energiemi, například i v optické oblasti. 

GRB jsou tradičně klasifikovány do dvou skupin, do tzv. dlouhých a krátkých záblesků záření gama. Obecně se soudí, že tento rozdíl je dán mechanismy jejich vzniku. A tak zatímco dlouhé gama záblesky jsou nejspíše dílem kolapsu obří hvězdy rovnou na černou díru, odborníci věří, že krátké jsou důsledkem srážky dvou kompaktních objektů, dvou neutronových hvězd nebo neutronové hvězdy a černé díry. Některé práce z poslední doby ale ukazují, že takto jednoduché dělení nemusí být tak jednoznačné, a polemizují o tom, kam přesně který GRB zařadit a jestli nemůže existovat ještě další druh.  

Kolem fyziky procesů doprovázejících GRB je mnoho otevřených otázek. Snad ty nejméně objasněné se dotýkají procesů bezprostředně po katastrofické události, které jsou za vznikem okamžité emise. Je zřejmé, že se zde objevují kolimované polární výtrysky, ovšem není jasné jejich složení nebo původ emisního mechanismu (zde se nabízí hned několik modelů). Klíčem k pochopení těchto procesů je zejména pozorování, a to především studium časných fázích gama záblesku. To je nesnadný úkol. GRB jsou obvykle detekovány s pomocí družicových přístrojů s velkým zorným polem, které posléze rozesílají alerty dalším dalekohledům na Zemi i v kosmu. Tyto další přístroje se snaží v krátké době objekt zaměřit a pořídit smysluplná data. 

Martin Jelínek, Jan Štrobl a René Hudec ze Skupiny astrofyziky vysokých energií při Stelárním oddělení ASU se se svými pozorováními pomocí 50cm robotického dalekohledu v Ondřejově zapojili do rozsáhlé studie analyzující pozorování dvou záblesků záření gama. Na práci se podílela i Alžběta Maleňáková, studentka astronomie na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Záblesk GRB 201015A byl zaregistrován přístroji družice Swift 15. října 2020, jeho trvání ve vysokoenergetické oblasti nepřekročilo deset sekund. Shodou okolností bylo ovšem stejné zorné pole zrovna cílem pozorování přístrojů na družici Fermi, která okamžitou emisi též pozorovala. Druhý záblesk, GRB 201216C z 16. prosince 2020, byl naopak jako první zachycen přehledovým přístrojem na družici Fermi. Téměř současně tento jev zaznamenal i detektor na družici Swift. Záblesk byl o něco delší, trval asi 48 sekund ve vysokoenergetické oblasti spektra. V případě druhého záblesku byla okamžitá emise zaznamenána i přístroji na družících AstroSat a také na Konus-Wind. 

Oba záblesky se záhy po svém objevu též objevily v detektorech pozemních dalekohledů s rychlým naváděním, které tak zaznamenaly průběh optického dosvitu. Zde se vyznamenaly zejména dalekohledy FRAM-ORM a přístroje sítě BOOTES, oba experimenty nesou výraznou českou stopu. Přispěl i indický 3,6metrový dalekohled DOT, s jehož pomocí bylo možné pořídit barevnou fotometrii. Dosvit byl zaznamenán také rentgenovými přístroji v kosmu. 

Zevrubná analýza dostupných pozorování umožnila oba jevy určit z popisného hlediska, z nichž například vyplývá, že záblesk z 16. prosince 2020 patřil k zábleskům s nejvyšším tzv. fluence, tedy celkovým tokem gama fotonů. Patřil dokonce mezi dvě procenta nejjasnějších záblesků vůbec. Ve spektru okamžité emise tohoto záblesku byly také nalezeny silné známky tepelné složky. Světelná křivka záblesku má komplexní strukturu několika pulsů, přičemž se zdá, že hodnoty mnohých odvozených fyzikálních veličin tzv. „trasují tok“, čili vykazují silnou korelaci s pozorovanou jasností. Tato vlastnost je mezi GRB poměrně neobvyklá a svědčí o expanzi a ochlazování tepelné fronty. Přitom klesá indukce magnetického pole, což vede k poklesu jasnosti a spektrálního indexu.  A naopak, zvýšená aktivita centrálního zdroje zvyšuje intenzitu magnetického pole a potažmo i jasnost objektu. 

Pozorování optického dosvitu v obou případech jednoznačně svědčí pro původ tohoto záření v šířící se rázové vlně. Optická pozorování umožnila stanovit tzv. Lorentzův faktor, s jehož pomocí lze testovat modely polárních výtrysků. A tak zatímco hodnota Lorentzova faktoru pro GRB 201015A naznačuje, že je tento výtrysk poháněn tzv. Poyntingovým tokem (akcí elektromagnetických sil), v případě GRB 201216C je hodnota konzistentní spíše s jetem hnaným vnitřní rázovou vlnou. 

Oba studované záblesky záření gama měly svůj původ pravděpodobně v kolapsu velmi hmotné hvězdy. Pozdější pozorování GRB 201015A dokonce potvrdila existenci supernovy, což je další důkaz pro původce v kolabující hvězdě. 

Práce ukazuje, že časná pozorování co nejdříve po zažehnutí záblesku gama záření jsou kritická pro správný popis procesů, které tomuto jevu bezprostředně následují. Bez nich není možné správně posoudit například charakter a složení polárních výtrysků, ale ani mechanismus vzniku elektromagnetického záření, které tyto jevy doprovázejí. 

REFERENCE

A. Kumar Ror, R. Gupta, M. Jelínek a kol., Prompt Emission and Early Optical Afterglow of Very-high-energy Detected GRB 201015A and GRB 201216C: Onset of the External Forward Shock, Astrophysical Journal 942 (2023) id.34, preprint arXiv:2211.10036

KONTAKT

Mgr. Martin Jelínek, Ph.D.
martin.jelinek@asu.cas.cz
RNDr. Jan Štrobl
jan.strobl@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.