צוות מחקר בין לאומי זיהה התפרצויות קרני גמא בעלות עוצמה חזקה מאי-פעם, גילוי שעשוי לשפר את ההבנה של הפיצוצים הקוסמיים האדירים
התפרצויות קרני גמא (Gamma Ray Bursts או בקיצור GRBs) הן בין התופעות האנרגטיות ביותר ביקום. בפיצוצים רבי עוצמה כאלה אפשר לצפות ממרחק של מיליארדי שנות אור, והם פולטים קרינת גמא, המורכבת מפוטונים - חלקיקי אור - שלכל אחד פי מיליון יותר אנרגיה מאור נראה. בסדרת מאמרים שפורסמה כעת בכתב העת נייצ'ר דיווחו החוקרים על שני מקרים שבהם התגלו פוטונים אנרגטיים עוד יותר, במקרה אחד פי מיליון יותר מהאנרגיות האופייניות ל-GRB טיפוסי, כלומר פי טריליון (1012) מאור נראה. מדידות של קרני גמא בעלי אנרגיה כה חזקה אפשריות בטלסקופים מיוחדים, המזהים את הבזקי האור הנוצרים בשמיים כשפוטונים רבי עוצמה כאלה פוגעים בחלק העליון של האטמוספרה. פליטה של פוטונים כאלה בהתפרצות קרני גמא עשויה להעיד על מנגנון פליטת הקרינה, ולסייע לנו להבין טוב יותר את אחת התופעות האנרגטיות ביותר ביקום.
מגוון טלסקופים
יש שני סוגים של התפרצויות קרני גמא: הסוג הקצר, שאורך שתי שניות או פחות, נוצר כנראה בהתנגשות בין כוכבי ניטרונים, והסוג הארוך, שנמשך בין שתי שניות לכמה דקות ברוב המקרים, שקורה בתנאים מסויימים בזמן קריסה של כוכב כבד. בזמן שליבת הכוכב קורסת לתוך עצמה משתחרר סילון של חלקיקים, פרוטונים ואלקטרונים שנעים במהירות קרובה למהירות האור. חלקים שונים של הסילון נעים במהירויות שונות ומתנגשים זה בזה. ההתנגשויות יוצרות גלי הלם חזקים ושדות מגנטיים שגורמים לאחוז קטן מהחלקיקים בסילון לצבור אנרגיה גבוהה מאוד. הפרוטונים הם ככל הנראה אלה שנפלטים ומגיעים בסופו של דבר לכדור הארץ בתור קרניים קוסמיות אנרגיות במיוחד. האלקטרונים פולטים את האנרגיה שלהם בזמן שהם נעים בתוך השדות המגנטיים בצורה של קרינת גמא. בשניות והדקות הראשונות של הסילון נפלטת קרינת גמא בעלת אנרגיה של מיליון אלקטרון-וולט, בערך פי מיליון מהאנרגיה של אור נראה, שמורכב מפוטונים בעלי אנרגיה של 2-3 אלקטרון-וולט.
לאחר ההתפרצות הראשונית יש ברוב המקרים שלב של דעיכה איטית, הנקרא afterglow, שבו נפלטת קרינה באורכי גל שונים מקרני X דרך סוגי קרינה חלשים יותר - על-סגול, אור נראה, תת-אדום - ועד גלי רדיו בסוף. שלב ה-afterglow מתרחש כאשר סילון החלקיקים מתנגש באטומים בחלל שסביב הכוכב הקורס. גם כאן ההתנגשויות יוצרות גלי הלם מגנטיים שפולטים קרינה. סוג זה של קרינה נקרא קרינת סינכרוטרון, על שם מאיצי חלקיקים מעגליים הפולטים קרינה שכזאת. מדידה של האנרגיות של הפוטונים הנפלטים ב-afterglow מאפשרת לנו להבין טוב יותר איך נפלטת הקרינה, ולחשב את עוצמת השדות המגנטיים ואת האנרגיה של החלקיקים שנעים בסילון. כדי למדוד טווח כה רחב של אנרגיות יש לצפות במיקום של ה-GRB במגוון סוגי טלסקופים, למשל רדיו-טלסקופים המורכבים מאנטנות גדולות או "צלחות לוויין" ענקיות, טלסקופים קרקעיים אופטיים רגילים, וכן טלסקופי חלל שבהם אפשר למדוד קרינה על סגולה וקרני X (רנטגן) שמתקשות לחדור דרך האטמוספרה.
מראות בקוטר 17 מטרים. גלאי MAGIC באיים הקנריים לאיתור קרינת צ'רנקוב| צילום: Robert Wagner, Max Planck Institute for Physics
מבט מהיר
במחקר החדשים השתתפו מאות חוקרים מעשרות מוסדות ברחבי העולם, וזיהו קרני גמא אנרגטיות במיוחד בשלב ה-afterglow של שתי התפרצויות נפרדות. בשני מאמרים (הראשון והשני) החוקרים דיווחו על קרני גמא שהגיעו בתחילת ה-afterglow של התפרצות שזוהתה ב-14 בינואר השנה במרחק 4.5 מיליארד שנות אור מאתנו. זיהוי מהיר שלה בטלסקופי חלל איפשר לכוון אליה בתוך שניות מערך גדול של טלסקופים, ולזהות קרני גמא בעוצמה של מאות ג'יגה אלקטרון-וולט (חזקות פי מאה מיליארד מאור נראה) ואפילו באנרגיות של טרה אלקטרון וולט (כלומר פי טריליון - 1012 - יותר אנרגטיות מאור נראה, או פי מיליון מקרני גמא שבדרך כלל נראות ב-GRB).
כדי לצפות בקרני גמא כל כך אנרגטיות ונדירות משתמשים בטלסקופים הצופים בהבזקים המכונים קרינת צ'רנקוב. הבזקים כאלה מופיעים כאשר פוטונים אנרגטיים מאד פוגעים באטמוספרה, ויוצרים התפרקויות גרעיניות שבהן פוטונים הופכים לזוגות של אלקטרונים ופוזיטרונים (כלומר אלקטרון ואנטי-אלקטרון) שיוצרים עוד פוטונים וחוזר חלילה. הגשם של החלקיקים והפוטונים נע באטמוספרה במהירות הקרובה למהירות האור ופולטים אור כחול (ועל סגול) שאפשר לזהות במכשירי מדידה רגישים מאוד. מכשיר כזה הוא גלאי MAGIC שבאיים הקנריים, המצויד בזוג מראות עגולות בקוטר 17 מטרים, פי שניים יותר גדול מהטלסקופים הגדולים בעולם. כאשר מזהים התפרצות קרני גמא הגלאי מגיב מיד ויכול לִצְפות לכיוון ההתפרצות תוך דקות אחדות. MAGIC פעיל משנת 2004 וכבר שודרג כמה פעמים. אפילו שצפה כבר ביותר ממאה התפרצויות קרני גמא ב-15 שנות פעילותו, מעולם לא זוהו בו קרני גמא באנרגיות כל כך גבוהות. השנה הצליחו בפעם הראשונה למדוד בוודאות גבוהה את הפוטונים האנרגטיים, כפי הנראה בגלל שהאירוע היה מספיק קרוב (יחסית ל-GRB), והגלאי הספיק להתחיל לצפות בו כדקה בלבד לאחר ההתפרצות הראשונית.
המאמר השלישי דן בהתפרצות אחרת שאירעה ביולי 2018. החוקרים מדווחים בו על קרני גמא באנרגיות של כמה מאות ג'יגה אלקטרון-וולט שהתגלו עשר שעות לאחר ההתפרצות הראשונית, בגלאי HESS המוצב בנמיביה, שגם הוא מחפש הבזקי קרינת צ'רנקוב בשמיים.
בין מאות החוקרים החתומים על המאמרים יש גם כמה מדענים מישראל שהיו שותפים במקצת התצפיות: ד"ר עופר ירון, ד"ר סטיב שולץ ואילן מנוליס ממכון ויצמן למדע, וכן פרופ' יהונתן גרנות וד"ר רמנדיפ גיל מהאוניברסיטה הפתוחה.
ה-afterglow שצילם טלסקופ האבל כמה שבועות לאחר ההתפרצות של 14 בינואר | צילום: NASA, ESA, and V. Acciari et al. 2019
להבין את הפיצוץ
שלושת המאמרים מביאים בפעם הראשונה עדויות לקיומן של קרני גמא אנרגטיות מאוד בשלב הafterglow של התפרצות קרני גמא. החוקרים סבורים כי ההסבר לתופעה הוא תהליך "קומפטון הפוך" (Inverse Compton) שבו אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה מתנגשים בפוטונים בסביבתם ונותנים להם "דחיפה" שמביאה אותם לאנרגיות כה גבוהות. ייתכן מאוד כי אותם אלקטרונים שפולטים את קרינת הסינכרוטורון מתנגשים בקרינה שהם עצמם פלטו (תהליך שנקרא קרינת סינכרוטרון-קומפטון עצמית).
למרות שמדובר בחלקיקים בעלי אנרגיה עצומה, הנזק שהם עלולים לגרום ללוויינים או חלליות זניח למדי, משום שמכל התפרצות כזו מגיע אלינו רק מספר זעום של חלקיקים בעלי אנרגיה כה גבוהה. זו גם אחת הסיבות שכל-כך קשה לזהות אותם ודרוש לשם כך מכשור רגיש ביותר.
מדידות מסוג זה מאפשרות להבין טוב יותר את הפיזיקה של פיצוצים קוסמיים עתירי אנרגיה, עוזרות לפענח את האינטראקציה של חלקיקים, קרינה ושדות מגנטיים בתווך שנע כמעט במהירות האור, ומאפשרת לנו להבין טוב יותר את הסביבה שבה נמצא הסילון. תצפיות כאלו עוזרות להבין את הסיפור המלא של התפרצויות קרני גמא, ומסייעות לנו לגלות את המקורות האפשריים של קרניים קוסמיות אנרגטיות במיוחד, שאולי מגיעות מסילוני חלקיקים בהתפרצויות קרני גמא כאלה.
סרטון הסבר על המחקר (באנגלית):
MAGIC telescopes see most epic explosion from ICRAR on Vimeo.
