DVA ČERENKOVLJEVA teleskopa promjera 17 metara, smještena na Kanarskom otoku La Palma u Španjolskoj, omogućila su znanstvenicima međunarodne kolaboracije MAGIC, u kojoj sudjeluju i hrvatski znanstvenici, da zabilježe signal u području gama-zračenja vrlo visokih energija iz tzv. ponavljajuće nove unutar Mliječnog puta.

Taj događaj, prvi put opažen pri takvim energijama, mogao bi omogućiti razumijevanje zvjezdanih erupcija i moguću ulogu koju one imaju u stvaranju tajanstvenih visokoenergijskih kozmičkih zraka koje prožimaju cijeli Mliječni put. Rezultate svojih opažanja i zaključke do kojih su došli vezane uz takve zvjezdane eksplozije znanstvenici su objavili u časopisu Nature Astronomy.

U ključnoj noći tim je vodio hrvatski fizičar

Hrvatski fizičar Dario Hrupec sa Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku imao je sreću da je u noći opažanja bio voditelj smjene.

"Bila je to smjena u kolovozu 2021.", kaže Hrupec.

"Smjena je bila mirna, nismo imali nikakvih tehničkih problema ni uzbuđenja, a izgledalo je da će tako i završiti. Međutim, negdje usred noći stigla je objava NASA-inog teleskopa Fermi da se aktivirao izvor gama-zraka. To je bila velika vijest. Teleskopi širom svijeta odmah su počeli mijenjati svoj program opažanja i usmjeravati se prema izvoru. Za sljedeću noć, 9. kolovoza, potpuno smo izmijenili program opažanja koji je bio ranije planiran", kaže naš sugovornik.

"Sve vrijeme posvetili smo tom izvoru, a sreća je bila da je bilo potpuno vedro te da je izvor bio na takvoj poziciji da je većinu noći bio vidljiv. Zanimljivo je da je iste te noći bio vrhunac meteorskog pljuska Perzeida tako da smo imali jednog profesionalnog fotografa koji je cijelu noć vani snimao teleskope i meteorski pljusak dok smo mi unutra, u opservatoriju, pratili objekt. Ta jedna noć bila je dovoljna da se prikupi dovoljno podataka da možemo objaviti rad. Događaj se čak vidio golim okom, a pratili su ga i astronomi amateri širom svijeta", ispričao je Hrupec za Index.

"Za naš članak značajno je to što je taj bljesak prvi put viđen u visokoenergijskim gama-zrakama. Taj dio spektra važan nam je za moguću potvrdu modela koji objašnjavaju nastanak kozmičkog zračenja u eksplozijama nova", dodao je.

Kako nastaje nova?

Kako se to događa, znanstvenici MAGIC-a objasnili su u priopćenju.

Životni ciklusi zvijezda mogu biti dugi i složeni, od njihovog rođenja unutar gustih oblaka kozmičkog plina do njihovog često spektakularnog kraja. O masi zvijezde ovisi kako će se odviti njezina zvjezdana smrt. Za naše Sunce, primjerice, znanstvenici očekuju da će nuklearna fuzija vodika u helij u njegovom središtu završiti za otprilike pet milijardi godina. Tada će se Sunce jako proširiti i postati crveni div, a onda se urušiti u gusti zvjezdani ostatak, bijelog patuljka. Takav kraj tipičan je za zvijezde s masama otprilike sličnim masi Sunca.

Tvar od koje se sastoji bijeli patuljak vrlo je gusta: jedna čajna žličica te tvari ima masu oko jedne tone. Pri nekim okolnostima ovi gusti zvjezdani ostaci mogu proizvesti titanske eksplozije i nakon zvjezdane smrti. Ako je bijeli patuljak dio dvojnog zvjezdanog sustava u kojem druga zvijezda ulazi u fazu crvenog diva, vodik iz vanjskih slojeva crvenog diva može biti gravitacijski privučen prema gustom bijelom patuljku i akumulirati se na njegovoj površini.

"Kada se materija koju je bijeli patuljak svojom gravitacijom privukao s crvenog diva nakupi u dovoljnim količinama da tlak i temperatura narastu dovoljno za pokretanje fuzije, pokreće se eksplozija slična eksploziji hidrogenske bombe. U tom trenutku na površini bijelog patuljka pokreće se istovremena eksplozija tisuća hidrogenskih bombi tako da zvijezda koja je praktički nevidljiva odjednom snažno zasja. U takvoj eksploziji puno vodika i fuzijskih produkata izbacuje se s bijelog patuljka u okolni prostor. Njezin sjaj često bude oko 100.000 puta sjajniji od zvijezde slične našem Suncu", kaže Hrupec.

Takav nagli porast sjaja zvjezdanog sustava, koji je inače neupadljiv, astronomi su nekada tumačili kao pojavu nove zvijezde na nebu. Tako je latinski izraz "stella nova" (ili skraćeno "nova", što znači nova zvijezda) postao sinonim za ovaj proces.

Sustav teleskopa MAGIC opaža emisiju nove RS Ophiuchi u noći kad je ostvarena detekcija (11. kolovoza 2021). Autor fotografije: Urs Leutenegger

Ponavljajuće nove

Dok se materijal izbačen s površine bijelog patuljka udaljava golemom brzinom od dvije do četiri tisuće kilometara u sekundi, ciklus prijenosa plina od razrijeđenog crvenog diva do gustog bijelog patuljka počinje iznova pa se erupcija može ponoviti. Zvjezdane sustave u kojima se to događa nazivamo ponavljajuće nove.

Za jednu dobro poznatu ponavljajuću novu u našem Mliječnom putu, objekt RS Ophiuchi u zviježđu Zmijonosac, tipično vrijeme između dvije erupcije iznosi oko 15 godina. Nakon što je posljednja eksplozija iz tog sustava opažena 2006. godine, astronomi su 2020.-ih spremno očekivali ponovnu eksploziju te nebeske hidrogenske bombe. Budno su motrili objekt udaljen otprilike 8000 svjetlosnih godina od Zemlje. Konačno, 8. kolovoza 2021. bljesak eksplozije stigao je do Zemlje. Odmah su ga opazili zemaljski optički teleskopi, kao i NASA-in svemirski teleskop Fermi-LAT u području gama-zraka niskih energija. Uslijedila su opažanja drugih opservatorija na različitim valnim duljinama, pa je ova nova postala prvi objekt svoje vrste opažen u tako velikom energijskom rasponu. U noći 9. kolovoza hidrogensku eksploziju na RS Ophiuchi opažali su i astronomi kolaboracije MAGIC sa svoja dva 17-metarska Čerenkovljeva teleskopa.

Julian Sitarek sa Sveučilišta Lodz, jedan od autora rada, kaže:

"Iako nam je model emisije gama-zračenja iz izvora RS Oph dao prvu uvjerljivu potvrdu ubrzanja protona kod nove, još uvijek nije poznato je li ta emisija povezana s postojanjem crvenog diva ili je ona opće svojstvo svake nove. Daljnja opažanja takvih objekata pomoću Čerenkovljevih teleskopa omogućit će nam da odgovorimo na to pitanje."

Voditeljica MAGIC-ove radne grupe za aktivne galaktičke jezgre Marina Manganaro sa Sveučilišta u Rijeci, članica hrvatske grupe MAGIC, ističe:

"Zahvaljujući dobrim vremenskim uvjetima na La Palmi, brzoj reakciji kolaboracije MAGIC te iznimnoj osjetljivosti teleskopskog sustava, prvi put izmjerena je emisija elektromagnetskog zračenja iz nove na energijama sto milijardi puta većim od energije vidljive svjetlosti."

Oscar Blanch iz IFAE Barcelona, glasnogovornik kolaboracije MAGIC, zaključuje:

"Dio kolaboracije MAGIC već dulje vrijeme istražuje eksplozije nova. Uvijek je lijepo vidjeti da se trud isplatio i da uspješno otvaramo nova područja koja donose dublja znanja o našem svemiru. To je rezultat rada mnogih ljudi."

Fascinantna znanstvena priča

Zajedno s opažanjima iz drugih dijelova elektromagnetskog spektra, istraživači su uspjeli razotkriti fascinantnu znanstvenu priču. Naime, eksplozija nove bila je dovoljno snažna da stvori jake udarne valove u tankom sloju materije koja okružuje zvjezdani sustav. Upravo su ti udarni valovi glavni mehanizam kojim se subatomske čestice ubrzavaju do brzina bliskih brzini svjetlosti. U slučaju nove RS Ophiuchi 2021, model koji najbolje opisuje opažanja teleskopa MAGIC i drugih teleskopa nastanak gama-zraka vrlo visokih energija povezuje s ubrzanjem protona, odnosno jezgara atoma vodika.

Iako se u eksploziji nove oslobađa manje energije nego u eksploziji supernove, eksplozije nova su učestalije jer u svemiru ima više zvijezda manjih masa poput Sunca nego zvijezda znatno većih masa, kakve su potrebne za pojavu supernova. Premda većina visokoenergijskih kozmičkih zraka (protona) u našoj galaksiji potječe iz drugih izvora, ovi rezultati ukazuju da su i nove iznenađujuće učinkovite u proizvodnji kozmičkih zraka u svojem lokalnom galaktičkom području.

Da bi se u potpunosti razumjela interakcija izbačene zvjezdane tvari s međuzvjezdanom tvari unutar naše galaksije, bit će potrebna nova opažanja poput ovih o kojima se sada izvješćuje. Kolaboracija MAGIC nastavit će pratiti kompaktne zvjezdane ostatke u Mliječnom putu i izvan njega.