Pohled na noční oblohu je uklidňující. Pozorovateli se zdá, že vesmír je velmi klidné místo. Kdybychom ale byli schopni vidění v oboru gama záření, zjistili bychom, že je tomu ale úplně jinak. Zaznamenali bychom, že ve vesmíru dochází k dramatickým a náhlým změnám. Tato skutečnost ale byla astronomům až do počátku kosmického věku skryta.
Protože záření gama pohlcuje zemská atmosféra, je vesmír v tomto oboru elektromagnetického spektra možno pozorovat pouze z vesmíru. Z hlediska existence života na Zemi můžeme jenom dodat „naštěstí“. Energie fotonů gama záření jsou totiž vůbec nejvyšší z celého rozsahu elektromagnetického spektra. Zatímco fotony viditelného záření, které je schopno zachytit lidské oko, mají energii kolem 2 až 3 elektronvoltů (eV), v případě gama záření se pohybuje v energiích od 10 GeV, tedy minimálně 10 miliardkrát vyšších. Díky této extrémní energii může i jednotlivý foton v případě zasažení živé buňky způsobit její
vážné poškození.
Past na jaderné testy
K objevu záblesků gama záření přicházejících z vesmíru došlo v podstatě náhodou v 60. letech minulého století. Když byla v roce 1963 podepsána smlouva o zákazu pokusných jaderných výbuchů, vypustily Spojené státy na oběžnou dráhu sérii družic Vela, které měly za úkol hlídat dodržování této smlouvy. Družice byly schopny detekovat pulsy záření gama vzniklé při případných testech nukleárních zbraní na oběžné dráze.
Veřejně nebyly nikdy publikovány zprávy o tom, že by nějaký jaderný test ve vesmíru byl skutečně proveden. Nicméně družice zaznamenaly řadu krátkých ale intenzivních spršek záření gama, které se zcela lišily od toho, co by připomínalo jaderný výbuch. A co bylo nejdůležitější, tyto záblesky záření pocházely zcela nahodile z nejrůznějších směrů. K vůbec první detekci došlo 2. července 1967. Záznamy družic Vela však byly publikovány až o šest let později. Začala éra vědeckého zkoumání záblesků gama záření (GRB, z anglického Gamma Ray Burst).
Odkud se berou?
Ač byla v následujících letech jejich existence potvrzena řadou dalších kosmických výprav (například i Apollo či sovětské sondy Veněra), vysvětlení původu gama záblesků bylo stále jen v rovině spekulací. Žádná z družic nebyla dosud specializována na jejich výzkum a vědcům tak chyběla potřebná data.
Podle polohy zdroje gama záblesku bylo možno v této fázi výzkumu rozdělit teorie do tří skupin – záblesky pocházejí ze sluneční soustavy, z naší galaxie Mléčné dráhy nebo z mnohem vzdálenějších extragalaktických oblastí.
Co zjistila Comptonova družice?
K významnějšímu pokroku ve výzkumu GRB došlo až se startem první specializované observatoře. A tou se stala jedna z tzv. Great Observatories NASA družice Compton Gamma Ray Observatory, která byla na oběžnou dráhu vypuštěna v roce 1991. Zcela zásadním přístrojem na její palubě byl BATSE – extrémně citlivý detektor gama záření. Během své činnosti objevila družice Compton více než 400 nových zdrojů záření gama a hlavně zaznamenala 2704 GRB!
Data získaná Comptonovou observatoří přinesla naprosto zásadní zjištění. Gama záblesky jsou na obloze rozloženy izotropně, nepreferují žádný směr, nepřicházejí například převážně jen z galaktického disku nebo galaktického jádra. To znamenalo jediné – záblesky záření gama rozhodně nevznikají ve sluneční soustavě. Rovněž teorie o jejich galaktickém původu ztratily výraznou podporu. Jistě, zbývala stále ještě možnost, že GRB pocházejí z rozsáhlého galaktického hala, které naší Mléčnou dráhu obklopuje, ale tato varianta se nezdála být příliš pravděpodobná.
Vědci si ale také v 90. letech minulého století nedovedli příliš představit procesy, které by byly schopny vyprodukovat tak enormní množství energie, jež by umožnilo detekovat záblesky záření gama přes obrovské mezigalaktické vzdálenosti.
Zdroj nalezen!
Důležitým krokem k pochopení původu gama záblesků by byla přímá detekce jejich zdroje na obloze. Ovšem i přístroj BATSE ještě stále nebyl dostatečně přesně schopen určit směr, ze kterého záření gama přichází. Bez toho bylo velmi obtížné pokusit se nalézt protějšek záblesku i v jiném oboru spektra, například ve viditelném světle.
Astronomové si na další výrazný skok ve výzkumu GRB museli opět několik let počkat. Ale díky holandsko-italské družici BeppoSAX se konečně dočkali kýženého výsledku. Když družice 28. února 1997 jeden záblesk zachytila, obrátila příslušným směrem vlastní rentgenový dalekohled a – spatřila slábnoucí rentgenový zdroj. A to ještě nebylo vše. Byla vydána výstraha pro pozemské pozorovatele. Některé dalekohledy pak skutečně na příslušné poloze spatřily i optický protějšek záblesku! Na detailních snímcích byla poté identifikována slabá, velmi vzdálená galaxie. Tak se jenom během pouhých několika týdnů se podařilo vyřešit dlouhotrvající debatu o tom, odkud záblesky záření gama pocházejí.
Pohotový výzkumník
Další revoluci ve zkoumaní těchto pozoruhodných jevů přineslo vypuštění americké družice Swift v roce 2004. Swift nese na palubě nejenom citlivý a přesný detektor záření gama, ale zároveň je schopen během méně než jedné minuty požadovaným směrem zamířit i vlastní optický a rentgenový dalekohled. Rovněž je ihned po detekci GRB vydáno varování pro pozemské observatoře a již několik minut poté se na inkriminovanou oblast na obloze zaměřují automatické dalekohledy, jež jsou určeny právě pro tento účel.
Díky Swiftu byli vědci schopni objevit skupinu záblesků gama s velmi krátkou dobou pohasínání. Observatoř jim rovněž umožnila získat množství dat o chování záblesků a jejich pohasínání ve velmi raném stádiu jejich průběhu a to dokonce i v době, kdy samotný gama záblesk stále ještě probíhá. A konečně výprava umožnila detekci záblesků rentgenového záření probíhajících i několik dnů poté, co úkaz v oboru gama už pohasl.
Zoologie gama záblesků
Navzdory nevídanému pokroku dosaženému v posledním desetiletí zůstávají záblesky gama záření jednou z největších záhad moderní astronomie. Trvají sice jenom od pár milisekund až po několik minut, ale přesto se jedná o nejzářivější jevy v oboru gama spektra. Jednotlivý záblesk dokáže během několika sekund vyzářit stejné množství energie jako naše Slunce vyprodukuje za celých 10 miliard let své existence. Na základě až dosud zjištěných dat se navíc ukázalo, že nejspíš neexistuje jediný mechanismus, schopný vysvětlit všechny GRB dohromady. Vědci v současnosti rozlišují dvě skupiny záblesků – krátké trvající méně než 2 sekundy a dlouhé, jejichž trvání přesahuje 2 sekundy.
Exploze mohutné hvězdy
Dlouhé záblesky tvoří většinu dosud detekovaných jevů. A mezi astronomy panuje v tomto směru až nevídaně vzácná shoda – tyto jevy jsou zřejmě způsobeny kolapsem extrémně hmotných hvězd. Obvykle se uvádí, že taková hvězda musí mít hmotnost odpovídající minimálně 40 hmotnostem našeho Slunce. Při jejím zhroucení vzniká černá díra nebo neutronová hvězda. Hmota původní hvězdy dopadá na rychle rotující jádro, načerpává jeho rotační energii a s přispěním magnetických polí je vyvrhována ve dvou obrovských výtryscích mířících podél osy rotace jádra. Rázové vlny uvnitř výtrysků či při jejich interakci s okolním materiálem posléze vytvářejí gama záření.
Tento model – zvaný model kolapsaru nebo též exploze hypernovy – je podporován jedním důležitým poznatkem přímo z pozorování. Dlouhé gama záblesky jsou totiž bez výjimky detekovány v oblastech s nedávnou intenzivní tvorbou hvězd, ať už se jedná o ramena spirálních galaxií či galaxie nepravidelné. A právě v takových oblastech jsou pro vznik extrémních hvězd vhodné podmínky.
Navíc byla v řadě případů této skupiny záblesků skutečně detekována i exploze supernovy typu Ib/c, tedy supernovy vznikající gravitačním kolapsem.
Splynutí kompaktních objektů
Krátkých gama záblesků byla až do současnosti naopak zaznamenána pouze hrstka. Existuje zřejmě více procesů, které je mohou způsobit. Nejčastěji se hovoří o splynutí dvou neutronových hvězd, nebo srážku neutronové hvězdy či černé díry. Možné jsou ale i další scénáře.
Až dosud byla přímo v naší Galaxii objevena desítka dvojhvězd, které jsou tvořeny právě neutronovými hvězdami. Připomeňme, že typická neutronová hvězda má hmotnost až 1,4 násobku hmotnosti Slunce, ale poloměr pouhých 10 km. Pokud hned dvě takové hvězdy obíhají kolem společného těžiště, vyzařují gravitační vlny, přičemž ztrácejí moment hybnosti a po spirále se k sobě postupně přibližují. V okamžiku splynutí – které je jak ukázaly počítačové modely ve finální fázi neuvěřitelně rychlým procesem – dojde k uvolnění masivního množství energie a výtrysků hmoty, které pak mohou spustit krátký gama záblesk.
Úkoly nové observatoře
Swift, BeppoSAX či Compton výrazně posunuly naše poznání těchto zvláštních jevů ve vesmíru. Zároveň však nastolily celou řadu dalších, nových otázek. Vědci už dnes vědí, kde k zábleskům dochází, mají i hrubou představu o jejich mechanismech, ale zároveň se vynořují dosud neobjasněné detaily či zcela nové skutečnosti, které ne tak úplně do akceptovaných scénářů zapadají. Nevíme například, které hvězdy zanikají při gama záblescích, z čeho konkrétně jsou složeny výtrysky hmoty, jak velký je prostorový úhel těchto výtrysků, jak pracuje centrální „motor“ záblesku, jak vlastně přímá interakce výtrysků s okolní hmotou produkuje gama záření atd. Takových otázek si astronomové kladou celou řadu. Navíc jak se zdá, existuje ještě jedna skupina GRB, „hybridní“ záblesky jež nespadají ani do jedné z výše zmíněných kategorií. Ty jsou až dosud zcela zahaleny tajemstvím.
GLAST připraven
Na některé z těchto otázek byl měla přinést odpovědi observatoř GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), jež je výsledkem mezinárodní spolupráce. Observatoř bude schopna zaznamenat záření v obrovském rozsahu energií – od 8 keV až po 300 GeV. Nebude tedy zaměřena pouze na výzkum záblesku gama záření, ale jejím cílem bude celá řada dalších zdrojů zářících v tomto oboru elektromagnetického spektra.
Observatoř je vybavena dvojicí přístrojů. Large Area Telescope (LAT) a bude v daný moment pokrývat 20% oblohy. V přehlídkovém režimu ji prohlédne celou každé tři hodiny. LAT je 30krát citlivější než jakýkoliv dříve na oběžné dráze provozovaný přístroj v oboru gama záření.
Zatímco LAT bude studovat celou řadu zdrojů gama záření, druhý přístroj GLAST Burst Monitor (GBM) je výlučně zaměřen na záblesky gama. GBM bude naráz monitorovat celou oblohu. Přepokládá se, že zaznamená na 200 záblesků za rok. Pokud některý z detekovaných GRB nebude zrovna v zorném poli LATu, celá observatoř se natočí tak, aby jej i „velký“ gama dalekohled mohl sledovat.
Pokud šlo vše podle plánu, měla by dnes být observatoř Glast už šest dní na obloze (start byl plánován na 14. května 2008). Pokud nenastanou žádné komplikace, mohou se vědci těšit na nové poznatky o tak fascinujících jevech, kterými záblesky záření gama nepochybně jsou.
Kosmická triangulace
Před startem družice Compton bylo velmi obtížné určit směr, ze kterého záblesky gama záření přicházejí. V podstatě jedinou použitelnou metodou byla triangulace využívající kosmických sond nacházejících se v různých částech sluneční soustavy. Pokud byl takový záblesk zaznamenán alespoň čtveřicí dostatečně vzdálených přístrojů (jež sami o sobě nebyly schopny určit směr, ze kterého signál přichází), bylo možno přesným porovnáním okamžiků detekci stanovit oblast, v níž se zdroj záblesku nachází. Bohužel, takto určená oblast byla stále ještě dost velká a obvykle se v ní nacházely tisíce optických zdrojů, které mohly být kandidátem na protějšek záblesku.
Nejvzdálenější záblesk
Družice Swift zaznamenal 4. září 2005 velmi neobvyklý záblesk. Jeho pohasínání bylo možno sledovat v infračerveném nikoliv však i optickém oboru spektra. To by naznačovalo, že se může jednat o velmi vzdálený objekt. Studium spektra posléze ukázalo rudý posuv 6,295. To znamená, že zdroj záblesku byl vzdálen 12,8 miliard světelných roků! K této kosmické explozi došlo v době, kdy stáří vesmíru činilo teprve 900 miliónů let.
GLAST – další úkoly
Kromě studia záblesků gama bude mít nová observatoř i další úkoly:
– zkoumat mechanismy urychlování částic v aktivních galaktických jádrech, pulsarech a pozůstatcích supernov
– prohlédnout oblohu v oboru gama záření, hledat např. dosud neidentifikované zdroje
– pátrat po temné hmotě a objektech raného vesmíru
– pátrat po vypařujících se primordiálních černých dírách
