פרופ' יהונתן גרנות, ממרכז המחקר לאסטרופיסיקה באוניברסיטה הפתוחה בישראל ושורה של חוקרים נוספים גילו כי תצפיות של נאס"א חשפו התפרצות ממגנטר בגלקסיה שכנה. המאמר של פרופ' גרנות התפרסם ב-13.1.2021 בכתב העת Nature Astronomy
ב-15 באפריל התפשט פרץ קצר של אור באנרגיה גבוהה (קרינת-X וגאמה) במערכת השמש ונקלט במכשירים רבים הממוקמים בחלל, כולל במכשירים בחלליות של NASA ובחלליות אירופיות. עכשיו הגיעו צוותים מדעיים בינלאומיים שונים למסקנה שהפיצוץ הגיע משריד כוכבי (כוכב נייטרונים) סופר-ממוגנט שנקרא "מגנטר" ונמצא בגלקסיה שכנה.
ממצא זה מאשר חשדות ותיקים שחלק מהתפרצויות הגמא – פיצוצים קוסמולוגיים שנצפים בשמיים כמעט כל יום – הם בעצם התלקחויות חזקות ממגנטרים קרובים יחסית.
"זאת תמיד הייתה אפשרות, וכמה התפרצויות גמא שנצפו מאז 2005 סיפקו ראיות מבטיחות", אומר קווין הארלי, עמית בכיר במעבדה למדעי החלל באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שחבר לכמה חוקרים במטרה לדון בהתפרצות בוועידה הווירטואלית ה-237 של האגודה האמריקאית לאסטרונומיה. "האירוע ב-15 באפריל הוא אירוע חריג שמשנה את כללי המשחק, כי יש לנו ביטחון כמעט מוחלט שההתפרצות ממוקמת בתוך הדיסקה של הגלקסיה הקרובה NGC 253".
מאמרים המנתחים את האספקטים השונים של האירוע והשלכותיו פורסמו ב-13 בינואר בכתבי העת Nature, Nature Astronomy ו-The Astrophysical Journal Letters.
פרופ' יהונתן גרנות ממרכז המחקר לאסטרופיסיקה באוניברסיטה הפתוחה בישראל, שעבד על הפירוש התיאורטי של המאורע הזה, מסביר: "לאירוע החדש והמרגש הזה יש מאפיינים דומים וגם מאפיינים שונים מאלה של הבזקי הענק של מגנטרים בגלקסיית שביל החלב שלנו. מצד אחד, בכל האירועים האלה האנרגיה הנפלטת בקרני גמא והאנרגיה הקינטית של החומר המשתחרר דומות. מהצד השני, באירוע החדש החומר המשתחרר מהיר הרבה יותר, בערך 99.995% ממהירות האור, בהשוואה לכ-70% ממהירות האור בשני הבזקי הענק בשביל החלב. מהמהירות הגבוהה כל כך ניתן להסיק שכמות הפרוטונים בחומר שהשתחרר הרבה יותר קטנה, ומבטאת שונות גדולה הרבה יותר בין הבזקי ענק של מגנטרים ממה שהכרנו עד כה."
התפרצויות קרינת גמא הן הפיצוצים החזקים ביותר ביקום ואפשר לזהות אותן ממרחק של מיליארדי שנות אור. התפרצויות שנמשכות פחות מכשתי שניות נקראות "התפרצויות קרינת גמא קצרות", והן מתרחשות כששני כוכבי נייטרונים – שני שרידים דחוסים במיוחד של כוכבים שקרסו – נעים במסלולם, מסתחררים זה לקראת זה ומתמזגים. אסטרונומים אישרו את התרחיש הזה ב-2017 כאשר התפרצות גמא קצרה באה בעקבות גלי כבידה – אדוות ברצף המרחב-זמן – שנוצרו בהתמזגות של כוכבי נייטרונים 130 מיליון שנות אור מכאן.
מגנטרים הם כוכבי נייטרונים שהשדות המגנטיים שלהם הם החזקים ביותר הידועים ביקום: עוצמת השדה המגנטי שלהם יכולה להיות גדולה פי אלף מעוצמת השדה המגנטי של כוכבי נייטרונים רגילים ופי עשרה טריליון מזו של המגנטים שעל המקרר. הפרעות קלות בשדות המגנטיים יכולות לגרום למגנטרים לפלוט קרינת רנטגן לא סדירה במשך שבועות ויותר.
לעיתים נדירות מגנטרים יוצרים התפרצויות עצומות שנקראות "הבזקי ענק" (giant flares) שפולטות קרני גמא, צורת האנרגיה הגבוהה ביותר של אור.
כיום מקוטלגים 29 מגנטרים בגלקסיית שביל החלב שלנו, ורובם מציגים פעילות מזדמנת של קרני רנטגן (קרני X), אבל רק שניים יצרו הבזקי ענק, והיה גם הבזק ענק אחד ב"ענן מגלן הגדול" – גלקסיית לוויין קטנה של שביל החלב (ב"חצר האחורית" שלו). האירוע המאוחר ביותר נצפה ב-27 בדצמבר 2004. הוא גרם שינויים באטמוספרה העליונה של כדור הארץ בהיקפים ניתנים למדידה למרות שהגיע ממגנטר שנמצא מרחק 28,000 שנות אור מאיתנו.
קצת לפני 04:42 בבוקר לפי שעון הקיץ של החוף המזרחי בארה"ב ב-15 באפריל חלף פרץ חזק של קרני רנטגן וקרני גמא על פני מאדים והפעיל את גלאי הנייטרונים באנרגיות גבוהות של הרוסים על גשושית Mars Odyssey של נאס"א המקיפה את מאדים מאז 2001. כ-6.6 דקות לאחר מכן הפעיל אותו פרץ קרינה את מכשיר ה-Konus הרוסי על לוויין Wind של נאס"א המקיף נקודה בין כדור הארץ והשמש במרחק 1.5 מיליון קילומטרים מאיתנו. כעבור עוד 4.5 שניות, פרץ הקרינה חלף על פני כדור הארץ והפעיל מכשור בטלסקופ החלל לקרני גמא Fermi של נאס"א וגם בלוויין INTEGRAL של סוכנות החלל האירופית ובמוניטור ASIM בתחנת החלל הבינלאומית.
ההתפרצות התרחשה מעבר לשדה הראייה של טלסקופ התרעות ההתפרצות BAT בלוויין Swift על שם ניל גרלס של נאס"א, ולכן מחשב הלוויין לא הודיע דבר לאסטרונומים בכדור הארץ. בזכות יכולת חדשה שנקראת GUANO (ראשי תיבות של Gamma-ray Urgent Archiver for Novel Opportunities), הצוות של Swift יכול לשדר נתונים מ-BAT כאשר לוויינים אחרים מתריעים על התפרצות. ניתוח הנתונים האלה סיפק תובנות נוספות על האירוע.
פולס הקרינה נמשך 140 אלפיות השנייה בלבד – פחות ממצמוץ.
כל הטלסקופים – Fermi, Swift, Wind, Mars Odyssey ו-INTEGRAL – משתתפים במערכת לזיהוי התפרצויות גמא שנקראת הרשת הבין-כוכבית (IPN). רשת ה-IPN עובדת עוד מסוף שנות השבעים באמצעות חלליות שונות במקומות שונים במערכת השמש וכיום היא ממומנת על ידי פרויקט Fermi. מכיוון שהאות מגיע לכל גלאי בזמן אחר, כל שני גלאים יכולים לעזור למקד את מיקום ההתפרצות בשמיים. ככל שהמרחק בין החלליות גדול יותר, הדיוק רב יותר.
רשת ה-IPN מיקמה את ההתפרצות של 15 באפריל, שניתן לה השם GRB 200415A, ישר במרכז האזור של NGC 253 – גלקסיה ספירלית בהירה שנמצאת כ-11.4 מיליון שנות אור מקבוצת הכוכבים פַּסָּל (Sculptor). זהו המיקום המדויק ביותר על כיפת השמים שנקבע אי פעם למגנטר מעבר לענן מגלן הגדול, לוויין של הגלקסיה שלנו ומקום ההתרחשות של התלקחות הענק הראשונה שזוהתה, ב-1979.
הבזקי ענק ממגנטרים בשביל החלב ולווייניו מתפתחים בדרך מסוימת: יש עלייה מהירה עד שיא הבהירות ואחר כך דעיכה הדרגתית תוך תנודות בעוצמת הפליטה. התנודות נובעות מסיבוב המגנטר סביב צירו, שמכניס ומוציא את מיקום ההתלקחות משדה הראייה של כדור הארץ, בדומה למגדלור.
תצפית של דעיכה תנודתית כזאת היא ראיה חותכת להתלקחות ענק. אבל הציוד הקיים היום לא מסוגל לגלות קרינה זו שמגיעה ממרחק של מיליוני שנות אור, כי היא עמומה מדי. לפיכך, הבזקי ענק באזור הגלקסיה שלנו עלולוים להיראות לנו כמו התפרצויות גמא הרבה יותר רחוקות וחזקות עקב התמזגות של שני כוכבי נייטרונים.
ניתוח מפורט של הנתונים ממוניטור התפרצויות קרינת הגמא GBM של Fermi ומ-BAT של Swift מספק ראיה חזקה לכך שהאירוע ב-15 באפריל היה שונה מכל ההתפרצויות הקשורות להתמזגות כוכבי נייטרונים, מציין אוליבר רוברטס, חוקר במכון למדעים ולטכנולוגיה של האגודה לחקר החלל באוניברסיטאות בהאנטסוויל, אלבמה, שעמד בראש המחקר.
זה היה הבזק הענק הראשון שזוהה מאז שיגור הלווין Fermi ב-2008, והיכולת של מוניטור התפרצויות קרינת הגמא GBM לטפל בשינויים בסדרי גודל של מיליוניות שנייה הייתה קריטית. התצפיות מגלות כמה פולסים, כשהראשון מופיע תוך 77 מיליוניות השנייה – בערך פי 13 מהר יותר מפלאש של מצלמה וכמעט פי 100 מהר יותר מזמני עליית קצב הפליטה המהירים ביותר בהתפרצויות קרינת הגמא הקצרות שקורות במיזוגים של כוכבי נייטרונים. מוניטור ה-GBM זיהה גם שינויים מהירים באנרגיה במהלך ההתלקחות, שינויים שלא נצפו בעבר.
"הבזקי הענק בגלקסיה שלנו הם כל כך בהירים, שהם מצליחים לבלבל את המכשור שלנו ולשמור על המסתורין שלהן", אומר רוברטס. " ההבזק GRB 200415A והבזקים מרוחקים דומים מאפשרים בפעם הראשונה למכשור שלנו לקלוט כל פרט ולחקור את ההתפרצויות החזקות האלה לעומק חסר תקדים.
אנחנו עוד לא מבינים היטב את הבזקי הענק, אבל אסטרונומים חושבים שהם תוצאה של התארגנות פתאומית מחדש של השדה המגנטי. אפשרות אחת היא שהשדה, בחלקו המרוחק מהמשטח, מתעוות יותר מדי ומשחרר פתאום אנרגיה כשהוא נכנס לתצורה יציבה יותר. לחלופין, כשל מכני בקרום המגנטר – רעידת אדמה כוכבית – יכול לגרור שינוי תצורה פתאומי.
רוברטס ועמיתיו אומרים שהנתונים מציגים ראיות מסוימות לרעידות סייסמיות במהלך ההתפרצות. מאפיינים אחרים של הנתונים מציעים שההתפרצות שחררה ענן של אלקטרונים ופוזיטרונים שטסו לחלל ב-99% ממהירות האור
החומר שהועף החוצה במהירות קרובה מאוד למהירות האור משתלב גם באחת ההפתעות הגדולות של האירוע. קרני הגמא בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר שנקלטו במוניטור ה-GBM של Fermi הגיעו ל-3 מיליון אלקטרון וולט (MeV), בערך פי מיליון מהאנרגיה של אור כחול. המכשיר המרכזי בלוויין, טלסקופ האזור הגדול LAT זיהה גם שלוש קרני גמא באנרגיות של 480 MeV, 1.3 GeV (מיליארד אלקטרון וולט) ו-1.7 GeV – האור עם האנרגיה הגבוהה ביותר שנמדדה אי פעם מהבזק ענק במגנטר. מה שמפתיע הוא שכל קרני הגמא האלה הופיעו הרבה אחרי שההבזק שכך בשאר המכשירים.
ניקולה אומודיי, חוקר בכיר באוניברסיטת סטנפורד בקליפורניה, ניהל את חקירת קרני הגמא שנקלטו בטלסקופ ה-LAT והגיעו בין 19 שניות ל-4.7 דקות אחרי האירוע המרכזי. מסקנת החוקרים היא שהאות הזה מגיע, ככל הנראה, בעקבות הבזק הענק מהמגנטר. כדי לזהות באמצעות ה-LAT התפרצות גמא קצרה אקראית באותו אזור בשמיים ובערך באותו זמן של ההתלקחות היינו צריכים לחכות בממוצע 6 מיליון שנים לפחות", הוא מסביר.
מגנטר מייצר רוח מגנטית יציבה של חלקיקים מהירים מאוד ושדה מגנטי עקב ההאטה ההדרגתית מאוד של סיבובו. כשהמגנטר נע בחלל, הרוח מתנגשת בגז בתווך הבין-כוכבי, מאיטה ומסיטה אותו הצידה אל מחוץ למסלול המגנטאר. הגז מתחמם, נערם ונדחס לקליפה דקה ומעוקלת, ויוצר סוג של גל הלם משופע שנקרא גל הלם קשתי.
במודל המוצע על ידי צוות ה-LAT, הפולס הראשוני של קרני גמא מההבזק הענק נע החוצה במהירות האור כשאחריו מגיע ענן החומר שהשתחרר המכיל פרוטונים, אלקטרונים ופוזיטרונים כמעט באותה מהירות (כ-99.995% ממהירות האור). אחרי כמה ימים שניהם מגיעים לגל ההלם הקשתי. קרני הגמא עוברות דרכו. ואז, כמה שניות לאחר מכן, ענן החלקיקים – שהתרחב בינתיים והפך לקליפה דקה וגדולה – מתנגש בגז שבקליפת גל ההלם הקשתי. ההתנגשות בין שתי הקליפות יוצרת גלי הלם בשתיהן, וכל אחד משני גלי ההלם מאיץ חלקיקים ומייצר את קרני הגמא בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר החל מכעשר שניות ועד מספר דקות אחרי ההבזק העיקרי הקצר.