Jednostavno rečeno
U svemiru se ponekad dogode bljeskovi toliko snažni da ih možemo zabilježiti s ogromne udaljenosti. Naučnici su dugo mislili da znaju kako nastaju, ali neki neobični događaji pokazali su da priča nije tako jednostavna. Proučavanje ovih bljeskova može nam pomoći da razumijemo kako nastaju elementi poput zlata i kako su se razvijale drevne galaksije.
Šta su bljeskovi gama-zračenja?
Negdje daleko u svemiru zvijezda se može urušiti ili se mogu sudariti dva izuzetno gusta zvjezdana ostatka. Takav događaj izbacuje snopove zračenja i čestica koje se kreću gotovo brzinom svjetlosti. Ako je jedan snop usmjeren prema Zemlji, svemirske opservatorije mogu zabilježiti bljesak gama-zračenja. To je zračenje veoma visoke energije, nevidljivo ljudskom oku, ali može biti prvi znak izuzetno snažne kosmičke eksplozije. Nakon bljeska, područje oko eksplozije počinje sjati i na drugim talasnim dužinama, od rendgenskog zračenja do vidljive svjetlosti i radio-talasa.
Bljeskovi koji su ličili na nuklearne probe
Ovi bljeskovi nisu prvi put otkriveni pomoću opservatorije napravljene za istraživanje dalekog svemira, već tokom vojnog programa iz vremena Hladnog rata. Sjedinjene Američke Države su 1960-ih lansirale satelite Vela kako bi nadzirali Zemlju i tražili signale koji bi mogli ukazivati na testiranje nuklearnog oružja. Dana 2. jula 1967. dva satelita zabilježila su neobičan signal. Isprva je podsjećao na nuklearnu eksploziju, ali njegovo zračenje nije odgovaralo onome što bi se očekivalo od probe na Zemlji, a činilo se da dolazi iz svemira.
Kada su naučnici analizirali podatke sa satelita, pronašli su još 16 sličnih događaja zabilježenih između jula 1969. i jula 1972. Informacije su u početku bile tajne, a rezultati su objavljeni 1973, nakon što je potvrđeno da signali ne ukazuju na tajnu sovjetsku probu. Naučnici tada nisu imali jasno objašnjenje za ovu pojavu, pa su je nazvali bljeskovima gama-zračenja, skraćeno GRB.
Tokom narednih decenija hiljade bljeskova zabilježile su svemirske opservatorije, među kojima su NASA-in Compton Gamma Ray Observatory, evropska opservatorija INTEGRAL te NASA-ine opservatorije Fermi i Swift. Posmatranja su pokazala da ti signali ne dolaze od eksplozija na Zemlji niti iz vještačkih izvora, nego su prirodne pojave u udaljenim nebeskim tijelima. Danas opservatorije u prosjeku bilježe oko jedan bljesak dnevno, iako mnoge ne uočimo jer njihovi snopovi nisu usmjereni prema nama.
Kako bljesak može biti toliko snažan?
Eksplozija ne oslobađa energiju podjednako u svim pravcima. Prema najčešćim objašnjenjima, iz područja oko crne rupe izbijaju dva uska, suprotno usmjerena snopa. Nose ih izuzetno vrela materija i brze čestice koje se kreću gotovo brzinom svjetlosti. Naučnici smatraju da među česticama mogu biti elektroni i pozitroni, a možda i protoni, dok im magnetna polja pomažu da zadrže pravac. Obično možemo vidjeti samo snop koji se slučajno kreće približno prema Zemlji.
Trajanje bljeskova se razlikuje, a naučnici su ih dugo, radi jednostavnosti, dijelili u dvije grupe: kratke događaje koji traju najviše 2 sekunde i duge događaje koji mogu potrajati desetinama sekundi. Kratki bljeskovi najčešće su povezivani sa spajanjem dviju neutronskih zvijezda, malih i izuzetno gustih zvjezdanih ostataka, dok su dugi povezivani s kolapsom masivne zvijezde. U oba slučaja oko novonastale crne rupe može se nakupiti materija, koju ona zatim uvlači u sebe ili dijelom izbacuje kroz snopove. Količina dostupne materije i brzina kojom ona pada utiču na to koliko dugo mlazovi ostaju aktivni.
Bljesak gama-zračenja može za nekoliko sekundi osloboditi energiju jednaku onoj koju Sunce proizvede tokom čitavog svog životnog vijeka. Prema drugoj procjeni, njegova energija približna je energiji milion triliona triliona bombi poput one bačene na Hirošimu. Zato su ovi događaji snažniji od eksplozija supernova, iako su i same supernove među najenergetskijim pojavama u svemiru. Ogromne udaljenosti ipak umanjuju količinu zračenja koja stiže do Zemlje: većina zabilježenih bljeskova dolazi iz galaksija udaljenih milijardama svjetlosnih godina.
Kada bi snop pogodio planetu izravno s udaljenosti od nekoliko hiljada svjetlosnih godina, posljedice po njenu atmosferu mogle bi biti ozbiljne. Fizičar i astrofizičar Brian Thomas sa Washburn University proučavao je mogućnost da se takav događaj odrazi na Zemlju. Zračenje bi moglo razgraditi molekule kisika i azota, što bi dovelo do stvaranja azotnih oksida koji oštećuju ozonski omotač. Ako bi ozonski omotač bio oslabljen tokom približno deset godina, živa bića bila bi izloženija ultraljubičastom zračenju. Ipak, riječ je o hipotetičkom scenariju čija je vjerovatnoća izuzetno mala, pa bljeskovi gama-zračenja ne predstavljaju svakodnevnu opasnost za nas.
Kosmičke fabrike elemenata
Ovi bljeskovi važni su i zato što nam mogu pomoći da otkrijemo kako su nastale neke od materija koje čine svijet oko nas. Prve zvijezde su unutrašnjim reakcijama stvarale vodik, helij i teže elemente sve do željeza. Za nastanak mnogih još težih elemenata potrebni su uslovi bogati slobodnim neutronima. Atomske jezgre tada ih brzo hvataju u procesu koji se naziva brzo hvatanje neutrona, odnosno r-proces.
Smatra se da na taj način nastaje približno polovina elemenata težih od željeza, među kojima su zlato, platina, uranij, torij i jod. Odgovarajući uslovi mogu se stvoriti pri sudaru dviju neutronskih zvijezda, a možda i pri nekim naročito silovitim kolapsima zvijezda. Posmatranje bljeska zato ne služi samo utvrđivanju njegovog izvora, nego i praćenju nastanka elemenata koji imaju različite uloge: jod je sastavni dio hormona štitne žlijezde, uranij doprinosi zagrijavanju unutrašnjosti Zemlje, a zlato i platina važni su u kulturnoj i industrijskoj upotrebi.
Važan dokaz stigao je 2017. godine. Dana 17. augusta američka opservatorija LIGO i italijanska Virgo zabilježile su talase u prostor-vremenu koji su potekli iz galaksije NGC 4993, udaljene oko 130 miliona svjetlosnih godina, u sazviježđu Hidra. Osobine signala pokazale su da su u događaju učestvovala dva tijela — dvije neutronske zvijezde koje su se sudarile. Ubrzo nakon toga teleskop Fermi zabilježio je bljesak gama-zračenja iz istog pravca, nazvan GRB 170817A.
Događaj je pratio sjaj kilonove, povezan s izbacivanjem materije bogate neutronima, pogodnom za stvaranje teških elemenata. Prema jednoj procjeni, količina nastalog zlata i platine mogla je odgovarati masi deset puta većoj od mase Zemlje. Ovo posmatranje nije bilo važno zato što je riješilo sva pitanja, već zato što je u jednom događaju povezalo gravitacione talase, gama-zračenje i kasniji sjaj. Time je pružilo snažnu podršku ideji da spajanje neutronskih zvijezda stvara neke od najtežih elemenata.
Dugi bljeskovi koji su zbunili naučnike
Pravila su djelovala prilično jasna sve do događaja iz decembra 2021. GRB 211211A zabilježen je u galaksiji udaljenoj 1,1 milijardu svjetlosnih godina i trajao je oko 50 sekundi. Takvo trajanje obično se povezuje s dugim bljeskovima koji nastaju pri kolapsu masivne zvijezde. Međutim, tim u kojem je bila astrofizičarka Jillian Rastinejad sa University of Maryland, College Park, koristio je opservatorije na Havajima i u Arizoni i nije pronašao očekivane znakove supernove. Umjesto toga, zabilježio je crvenkast sjaj koji je odgovarao stvaranju teških elemenata u kilonovi.
Studija objavljena 2022. pokazala je da događaj nije pratio uobičajeni obrazac koji se očekuje pri kolapsu masivne zvijezde, ali njegovo objašnjenje i dalje je predmet rasprave. Moguće je da su se spojile dvije neutronske zvijezde, ali trajanje bljeska postavlja pitanje: kako su njihovi ostaci mogli obezbijediti gorivo za snopove koji su trajali 50 sekundi? Jedna mogućnost je da je crna rupa rastrgla neutronsku zvijezdu pratilju, stvarajući veliku količinu materije koja je postepeno padala u nju. Prema drugom objašnjenju, oko ostatka sudara formirao se veliki disk materije, koji je mlazovima duže obezbjeđivao gorivo. Astrofizičar Eric Burns sa Louisiana State University iznio je i mogućnost da je drugi učesnik bio bijeli patuljak, ostatak manje zvijezde poput Sunca, kojem bi trebalo više vremena da bude progutan.
Godine 2023. pojavio se GRB 230307A, koji je trajao 200 sekundi, bez jasnih znakova supernove. Astronomi su usmjerili James Webb Space Telescope prema njegovom izvoru i u infracrvenom području zabilježili svjetlost povezanu s telurijem, jednim od elemenata koji mogu nastati r-procesom. To je ojačalo mogućnost da su u događaju učestvovale neutronske zvijezde, ali nije objasnilo kako je nastao tako dug bljesak. Gravitacioni talasi mogli su pomoći u utvrđivanju prirode uključenih tijela, ali su opservatorije LIGO i Virgo tada bile ugašene zbog održavanja.
Najsjajniji bljesak ipak nije otkrio sve
Dana 9. oktobra 2022. naučnici su zabilježili još jedan događaj, kasnije nazvan „najsnažniji svih vremena“, odnosno BOAT. Potekao je s udaljenosti od 2,4 milijarde svjetlosnih godina, a snop je do Zemlje stigao toliko snažan da su svemirske opservatorije za gama-zračenje nakratko bile zasute signalima. Tok gama-zračenja trajao je više od deset minuta. Događaj je uticao i na gornje slojeve atmosfere, a zabilježeni su poremećaji u radio-komunikacijama i aktivnosti senzora za munje u Indiji.
Smatra se da je izvor eksplozije bila zvijezda čija je masa dostizala približno 30 masa Sunca, a koja se urušila i stvorila crnu rupu. Astronomi procjenjuju da bi se događaj takve snage mogao dogoditi jednom u 10.000 godina. Nekoliko mjeseci nakon bljeska James Webb Space Telescope uspio je odrediti položaj povezane supernove. Naučnici su se nadali da će u njoj vidjeti tragove teških elemenata koji nastaju pri kolapsu zvijezda, ali posmatranja nisu otkrila jasne dokaze da su ti elementi nastali. Tako bljesak nije razriješio zagonetku porijekla teških elemenata, nego je otvorio novo pitanje: stvaraju li kolapsi zvijezda tih elemenata manje nego što smo očekivali?
Sedam sati isprekidanog zračenja
Dana 2. jula 2025. teleskop Fermi zabilježio je novi događaj, označen kao GRB 250702B, koji je stigao iz prašnjave galaksije udaljene oko 8 milijardi svjetlosnih godina. Procijenjena energija odgovarala je energiji koju bi 1.000 Sunca proizvelo tokom 10 milijardi godina. Događaj nije bio sjajniji od BOAT-a, ali je oborio rekord u trajanju: trajao je najmanje sedam sati. Činilo se i da je tri puta oslabio, a zatim ponovo planuo.
Takav tok teško je objasniti uobičajenom eksplozijom zvijezde koja se dogodi samo jednom. Jedna od mogućnosti jeste da se snop njihao, povremeno ulazeći u naše vidno polje i izlazeći iz njega, zbog čega je izgledalo kao da zračenje prestaje pa se vraća. Ipak, to ne objašnjava dugo trajanje događaja. Brže okretanje zvijezde koja se urušava moglo bi usporiti gutanje materije, ali prebrzo okretanje moglo bi spriječiti zvijezdu da dovrši kolaps na potreban način. Zbog toga su različiti timovi, uključujući tim koji su predvodili doktorandica Eliza Neights i Brian Thomas, istraživali mogućnost još neobičnijeg sistema.
Jedan model predviđa malu crnu rupu, mase oko tri puta veće od mase Sunca, a prečnika približno 10 milja, koja kruži oko zvijezde male mase. Crna rupa je možda najprije počela izvlačiti vodik iz zvijezde, ostavljajući za sobom jezgro od helija, a zatim je ušla u njenu unutrašnjost i počela gutati i kidati materiju. Prema tom scenariju, jezgro zvijezde urušava se prema crnoj rupi, dok snopovi izlaze iz njenih polova i probijaju zvjezdani omotač. Sama zvijezda mogla bi potom eksplodirati kao supernova. To je moguće objašnjenje, ali ne i potvrđen zaključak: događaj je zasad jedinstven, a jedan zabilježeni bljesak nije dovoljan da bi se neki model pouzdano proglasio najboljim.
Zaključak
Bljeskovi gama-zračenja prikazuju svemir u njegovim najekstremnijim trenucima, ali nisu samo daleka svjetla. Oni otkrivaju kako se materija ponaša u blizini crnih rupa, pomažu naučnicima da provjere teorije o nastanku teških elemenata i služe kao svjetionici za istraživanje drevnih galaksija. Događaji poput spajanja neutronskih zvijezda 2017. potvrdili su neke naučne pretpostavke, dok su bljeskovi iz 2021, 2023. i 2025. pokazali da podjela na kratke i duge događaje ne objašnjava sve što posmatramo.
Naučnici se i dalje suočavaju s tri povezana izazova: moraju razumjeti silovitu fiziku koja pokreće ove eksplozije, potrebne su im sposobnije opservatorije za bilježenje pojedinosti, a rijetkih događaja koje mogu detaljno proučavati nema mnogo. Neke zagonetke mogle bi ostati neriješene godinama, ali novi bljesak može brzo promijeniti naše razumijevanje. Ove pojave ponekad traju samo nekoliko sekundi, a ponekad i sedam sati, pa nam pružaju rijetku priliku da posmatramo kako se svemir mijenja dok ga proučavamo instrumentima.