gama záření | Svět2000

Temná hmota se možná vyskytuje ve dvou skupenstvích a proto není všude

13. 4. 2026 Iveta Mauci 0 komentářů 7 min read 39 Zobrazení Galaxie, gama záření, skupenství, temná hmota, vesmír, záblesky gama

Nové Vesmír Vesmírné objevy

Je tohle ten důvod, proč nevidíme temnou hmotu? Vědci sestavili kompletní model, ve kterém se temná hmota skládá ze dvou odlišných stavů různých částic oddělených malým hmotnostním štěpením.

Astronomové možná nevědí, co je temná hmota, ale vědí, že galaxie by měly obsahovat velké množství této neviditelné látky.

V souhvězdí Velké medvědice se nachází galaxie Messier 101. Jde o nejznámější galaxii známou jako Větrník. Stejně jako Mléčná dráha není ani Messier 101 ve vesmíru sama. V jejím sousedství se hojně nacházejí menší trpasličí galaxie. Jasné mlhoviny, které se táhnou přes velkou část galaxie tvoří oblaka zářícího vodíku, ve kterém vznikají nové hvězdy. V realitě září růžovočerveně, ale díky výběru zelených a infračervených filtrů, přes které byl pořízený snímek (níže), vypadají téměř jako bílé.

Díky studii jasnosti rudých obrů, provedli vědci pozorování zaměřené na přesné měření vzdáleností k řadě galaxií. Měřili až do vzdálenosti přibližně 30 milionů světelných let od Země. Kromě NGC 5477 obsahuje úvodní snímek v pozadí četné galaxie, včetně některých, které jsou viditelné přímo skrz NGC 5477. To slouží jako důkaz toho, že galaxie zdaleka nejsou pevné, neprůhledné objekty, ale ve skutečnosti jsou z velké části tvořené prázdným prostorem, který obklopuje hvězdy. Můžou ale objekty obývat prázdnotu?

Popis: Na snímku se nachází NGC 5477, jedna z trpasličích galaxií ve skupině Messier 101, která je předmětem tohoto snímku z Hubbleova vesmírného dalekohledu NASA/ESA. Bez zjevné struktury, ale s viditelnými známkami probíhajícího zrodu hvězd, vypadá NGC 5477 velmi podobně jako typická trpasličí nepravidelná galaxie. Tento snímek je kombinací expozic pořízených přes zelené a infračervené filtry pomocí Hubbleova dalekohledu Advanced Camera for Surveys. Zorné pole je přibližně 3,3 x 3,3 úhlových minut.

Absence gama záření neznamená, že tam nic není

Absence signálu sama o sobě může být signálem. Tato myšlenka je právě tou, která stojí za novou studií, jejímž cílem bylo předefinovat způsob, jakým hledáme temnou hmotu. Astronomové tak chtějí ukázat, že pro její přítomnost nemusí být nutné nacházet všude stejné „stopy“.

Studie konkrétně naznačuje, že i když v centru naší galaxie pozorujeme určitý typ signálu, jako je nadbytek gama záření, který by mohl být výsledkem anihilace částic temné hmoty, tak to zdaleka nestačí k vyloučení tohoto vysvětlení, když nelze detekovat stejný signál v jiných systémech, jako jsou například trpasličí galaxie.

To znamená, že temná hmota se ve skutečnosti nemusí skládat z jediné částice, ale z několika mírně odlišných složek, jejichž chování se liší v závislosti na kosmickém prostředí.

Přebytek gama záření v galaktickém centru

Co je to vlastně temná hmota? Už víme, že existuje a je všude ve vesmíru, ale protože jsme ji nikdy nemohli pozorovat, tak stále nevíme, co to přesně je. Mno…

Temná hmota je po celá desetiletí hlavním tématem kosmologů a astrofyziků, kteří se snaží pochopit její podstatu. Její přítomnost se odvozuje hlavně z gravitačních účinků, které vyvíjí na viditelnou hmotu, ale dosud žádná z navrhovaných hypotéz ji nedokázala potvrdit. Hledání proto pokračuje.

Mnoho předních modelů temné hmoty ji popisuje jako něco, co je tvořené částicemi. V některých z těchto scénářů se při setkání dvou částic můžou anihilovat a produkovat vysokoenergetické záření, jako jsou gama paprsky, které se astronomové snaží detekovat. Anihilace je fyzikální proces, při kterém částice a její antičástice (např. elektron a pozitron) při vzájemném střetu zanikají. Jejich hmotnost se přeměňuje na energii, obvykle ve formě fotonů (záření gama). Nejde o absolutní zničení, ale o přeměnu hmoty na jinou formu energie, nebo na nové částice.

Zdá se, že v současné době ve vesmíru existuje nadbytek fotonů, které pocházejí přibližně ze sférické oblasti, která obklopuje disk Mléčné dráhy. Tento nadbytek fotonů přeměněný na gama záření byl pozorovaný vesmírným dalekohledem Fermi Gamma-ray Space Telescope. Podle astreonomů by mohl být způsobený anihilací temné hmoty. Existují však i alternativní vysvětlení, podle nichž by emise gama záření mohly pocházet z astrofyzikálních zdrojů, jako jsou pulsary.

Aby vědci tuto otázku vyřešili, je nutné hledat jinde. Pokud jsou určité teorie temné hmoty pravdivé, měli bychom ji vidět v každé trpasličí galaxii.

Proč trpasličí galaxie

Trpasličí galaxie jsou velmi malé a slabé systémy, ale extrémně bohaté na temnou hmotu. Mají velmi malé astrofyzikální pozadí. Mají méně hvězd a méně běžného záření. Proto představují ideální prostředí pro hledání „čistých“ signálů.

Standardní teorie, které popisují temnou hmotu tvořenou částicemi, obecně předpovídají dvě možnosti, jak tyto částice anihilují. V nejjednodušším případě je pravděpodobnost anihilace konstantní a nezávisí na rychlosti částic. V tomto případě, pokud pozorujeme signál ve středu naší galaxie, měli bychom očekávat, že ho uvidíme i v jiných systémech bohatých na temnou hmotu, jako jsou právě trpasličí galaxie.

Ve druhém případě závisí pravděpodobnost anihilace na rychlosti částic. Vzhledem k tomu, že se částice temné hmoty v galaxiích pohybují velmi nízkými rychlostmi, tento typ interakce činí anihilaci extrémně vzácnou a proto je signál prakticky neviditelný. V tomto kontextu by absence signálu v trpasličích galaxiích ztěžovala detekovat nadbytek gama záření pozorovaného ve středu naší galaxie jako důsledku přítomnosti temné hmoty.

Vědci v této studii však popisují alternativní, složitější scénář, který by mohl vysvětlit absenci signálu v trpasličích galaxiích a zároveň zachovat interpretaci signálu pozorovaného v Mléčné dráze jako možného efektu temné hmoty.

Dvě různé částice

Vědci se snaží poukázat na to, že by mohl existovat jiný druh závislosti na prostředí, i když je pravděpodobnost anihilace ve středu galaxie konstantní. Temná hmota by ve skutečnosti mohla mít jednoduše řečeno dvě různé částice a aby tyto dvě různé částice mohly anihilovat, musí nejprve navzájem najít.

Pravděpodobnost, že se obě složky temné hmoty setkají aby anihilovaly by v tomto případě záviselo na poměru mezi těmito dvěma částicemi v každém astrofyzikálním systému. Tento poměr by se v galaxiích mohl lišit. Galaxie jako je ta naše, kde by oba typy částic mohly být přítomné v podobných poměrech, ale v trpasličích galaxiích by mohl být jejich poměr naopak silně nevyvážený. Tímto způsobem můžete získat velmi odlišné předpovědi emisí.

Model navržený Krnjaicem a jeho kolegy proto představuje flexibilnější alternativu k nejjednoduššímu standardnímu scénáři, protože umožňuje vysvětlit absenci signálu gama záření v trpasličích galaxiích, aniž by vyloučil původ signálu pozorovaného v Mléčné dráze pocházející z temné hmoty.

V budoucnu by mohl Fermiho gama-dalekoskop poskytnout přesnější data o trpasličích galaxiích a pomoci objasnit, zda tyto systémy emitují gama záření či nikoli. V principu by pozorování signálu bylo kompatibilní s podobným rozložením obou složek i v trpasličích galaxiích, zatímco jeho absence by mohla naznačovat, že jedna z nich je méně hojná. Tato interpretace však není jednoznačná a závisí na dalších astrofyzikálních faktorech, takže je nutné porovnat tento model s širším spektrem pozorování.

Zdroje: Gordan Krnjaic, teoretický fyzik z Fermiho národní urychlovací laboratoře (Fermilab) ve Spojených státech a jeden z autorů studie; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2026/04/017; https://www.eurekalert.org/news-releases/1122403

Kolaps masivní hvězdy způsobil nejjasnější a nejdelší gama záblesk

14. 4. 2024 Andrea Březinová 0 komentářů 7 min read 300 Zobrazení CSA, ESA, gama záření, JWST, loď, NASA, supernova

TOP 10 Věda Vesmír

Zatímco tento objev řeší jednu záhadu, další záhada se prohlubuje. Pozorování kosmického dalekohledu Jamese Webba nevykazují žádné známky těžkých prvků. V říjnu 2022 pozoroval mezinárodní tým výzkumníků, včetně astrofyziků Northwestern University, dosud nejjasnější gama záblesk (GRB), jaký byl kdy zaznamenán, GRB 221009A.

Nyní tým pod vedením Severozápadu potvrdil, že fenomén odpovědný za historický výbuch, přezdívaný BOAT („nejjasnější všech dob“), je kolaps a následná exploze masivní hvězdy. Tým objevil explozi nebo supernovu pomocí vesmírného teleskopu Jamese Webba (JWST) NASA.

Zatímco tento objev řeší jednu záhadu, další záhada se prohlubuje.

Vědci spekulovali, že důkazy o těžkých prvcích, jako je platina a zlato, by se mohly nacházet v nově objevené supernově. Rozsáhlé pátrání však nenašlo podpis, který takové prvky doprovází. Původ těžkých prvků ve vesmíru nadále zůstává jednou z největších otevřených otázek astronomie.

„Když jsme potvrdili, že GRB byl generován kolapsem masivní hvězdy, dalo nám to příležitost otestovat hypotézu, jak se tvoří některé z nejtěžších prvků ve vesmíru,“ řekl Peter Blanchard z Northwesternu, který vedl studii. „Neviděli jsme známky těchto těžkých prvků, což naznačuje, že extrémně energetické GRB jako BOAT tyto prvky neprodukují.“ To neznamená, že je nevyrábějí všechny GRB, ale je to klíčová informace, protože stále chápeme, odkud tyto těžké prvky pocházejí. Budoucí pozorování s JWST určí, zda „normální“ bratranci ČLUNU produkují tyto prvky.“

Zrození LODĚ

Když její světlo zalilo Zemi 9. října 2022, byla LOĎ tak jasná, že nasytila většinu světových detektorů gama záření. K silné explozi došlo přibližně 2,4 miliardy světelných let daleko od Země ve směru souhvězdí Sagitta a trvala několik set sekund. Když se astronomové snažili pozorovat původ tohoto neuvěřitelně jasného jevu, okamžitě je zasáhl pocit úžasu.

„Dokud jsme schopni detekovat GRB, není pochyb o tom, že tento GRB je nejjasnější, jakého jsme kdy viděli, s faktorem 10 nebo více,“ řekla Wen-fai Fongová, docentka fyziky a astronomie ze Severozápadní univerzity, Vysoké školy umění a vědy a členka CIERA.

„Událost vytvořila některé z fotonů s nejvyšší energií, jaké kdy byly zaznamenány satelity navrženými k detekci gama záření,“ řekl Blanchard. „Byla to událost, kterou Země vidí jen jednou za 10 000 let.“ Máme štěstí, že žijeme v době, kdy máme technologii k detekci těchto výbuchů, které se odehrávají v celém vesmíru. Je tak vzrušující pozorovat tak vzácný astronomický jev, jako je LOĎ, a pracovat na pochopení fyziky za touto výjimečnou událostí.“

„Normální“ supernova

Blanchard, jeho blízká spolupracovnice Ashley Villarová z Harvardské univerzity a jejich tým, než aby událost okamžitě sledovali, chtěli vidět GRB během jeho pozdějších fází. Asi šest měsíců poté, co byl GRB původně detekován, Blanchard použil JWST k prozkoumání jeho následků.

GRB byla tak jasná, že zakryla jakoukoli potenciální signaturu supernovy v prvních týdnech a měsících po výbuchu. V této době probíhal takzvaný dosvit GRB jako světlomety auta jedoucího přímo na vás, které vám bránily vidět samotné auto. Museli jsme tedy počkat, až výrazně zeslábne, abychom měli šanci supernovu spatřit.

Blanchard použil blízký infračervený spektrograf JWST k pozorování světla objektu na infračervených vlnových délkách. Tehdy spatřil charakteristický podpis prvků, jako je vápník a kyslík, které se obvykle vyskytují v supernově. Překvapivě nebyl výjimečně jasný, jako neuvěřitelně jasný GRB, který doprovázel.

„Není o nic jasnější než předchozí supernovy,“ řekl Blanchard. „Vypadá to docela normálně v kontextu jiných supernov spojených s méně energetickými GRB.“ Dalo by se očekávat, že stejná kolabující hvězda produkující velmi energetický a jasný GRB by také vytvořila velmi energetickou a jasnou supernovu. Ale ukazuje se, že tomu tak není. Máme tento extrémně svítivý GRB, ale normální supernovu.“

Absence těžkých prvků

Poté, co Blanchard a jeho spolupracovníci poprvé potvrdili přítomnost supernovy, hledali v ní důkazy o těžkých prvcích. V současné době mají astrofyzici neúplný obrázek o všech mechanismech ve vesmíru, které mohou produkovat prvky těžší než železo.

Primární mechanismus výroby těžkých prvků, proces rychlého záchytu neutronů, vyžaduje vysokou koncentraci neutronů. Astrofyzici zatím potvrdili pouze produkci těžkých prvků prostřednictvím tohoto procesu při splynutí dvou neutronových hvězd, kolizi detekovanou laserovým interferometrem Gravitational-Wave Observatory (LIGO) v roce 2017. Vědci však tvrdí, že musí existovat jiné způsoby výroby tyto nepolapitelné materiály. Ve vesmíru je prostě příliš mnoho těžkých prvků a příliš málo sloučení neutronových hvězd.

„Pravděpodobně existuje jiný zdroj,“ řekl Blanchard. „Sloučení binárních neutronových hvězd trvá velmi dlouho. Dvě hvězdy v binárním systému musí nejprve explodovat, aby za sebou zanechaly neutronové hvězdy. Pak to může trvat miliardy a miliardy let, než se dvě neutronové hvězdy pomalu přibližují a nakonec se spojí. Ale pozorování velmi starých hvězd naznačují, že části vesmíru byly obohaceny těžkými kovy dříve, než většina binárních neutronových hvězd měla čas se sloučit. To nás ukazuje na alternativní kanál.“

Astrofyzici předpokládali, že těžké prvky mohou vzniknout také kolapsem rychle rotující masivní hvězdy, přesného typu hvězdy, která vytvořila LOĎ Pomocí infračerveného spektra získaného pomocí JWST Blanchard studoval vnitřní vrstvy supernovy, kde by měly být vytvořeny těžké prvky.

„Explodovaný materiál hvězdy je v raných dobách neprůhledný, takže můžete vidět pouze vnější vrstvy,“ řekl Blanchard. „Ale jakmile se roztáhne a ochladí, stane se průhledným.“ Pak můžete vidět fotony vycházející z vnitřní vrstvy supernovy.

„Navíc různé prvky absorbují a emitují fotony na různých vlnových délkách v závislosti na jejich atomové struktuře, což dává každému prvku jedinečný spektrální podpis,“ vysvětlil Blanchard. „Proto nám pohled na spektrum objektu může říci, jaké prvky jsou přítomny. Při zkoumání spektra ČLONU jsme nezaznamenali žádné známky těžkých prvků, což naznačuje, že extrémní události jako GRB 221009A nejsou primárními zdroji. To je zásadní informace, protože se i nadále snažíme zjistit, kde se tvoří nejtěžší prvky.“

Proč tolik svítí?

Aby vědci oddělili světlo supernovy od světla jasného dosvitu, který před ní přišel, spojili data JWST s pozorováními z Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) v Chile.

„Dokonce i několik měsíců poté, co byl výbuch objeven, byl dosvit dostatečně jasný, aby přispěl velkým množstvím světla ve spektrech JWST,“ řekl Tanmoy Laskar, odborný asistent fyziky a astronomie na University of Utah a spoluautor studie. studie. „Kombinace dat ze dvou dalekohledů nám pomohla přesně změřit, jak jasný byl dosvit v době našich pozorování JWST, a umožnila nám pečlivě extrahovat spektrum supernovy.“

Ačkoli astrofyzici ještě musí odhalit, jak „normální“ supernova a rekordní GRB byly vytvořeny stejnou zhroucenou hvězdou, Laskar řekl, že to může souviset s tvarem a strukturou relativistických výtrysků. Při rychlé rotaci se masivní hvězdy zhroutí do černých děr a produkují výtrysky materiálu, které startují rychlostí blízkou rychlosti světla. Pokud jsou tyto výtrysky úzké, produkují soustředěnější a jasnější paprsek světla.

„Je to jako zaostřit paprsek baterky do úzkého sloupce, na rozdíl od širokého paprsku, který prochází celou stěnou,“ řekl Laskar. „Ve skutečnosti se jednalo o jeden z nejužších výtrysků, které byly dosud pozorovány u gama záblesku, což nám dává tušit, proč se dosvit objevil tak jasně, jak se objevil.“ Mohou za to i jiné faktory, což je otázka, kterou budou výzkumníci studovat v nadcházejících letech.“

Další stopy mohou také pocházet z budoucích studií galaxie, ve které se LOĎ vyskytla. „Kromě spektra samotné LODĚ jsme získali také spektrum její ‚hostitelské‘ galaxie,“ řekl Blanchard. „Spektrum vykazuje známky intenzivní tvorby hvězd, což naznačuje, že prostředí zrození původní hvězdy se může lišit od předchozích událostí.“

Člen týmu Yijia Li, postgraduální student na Penn State, modeloval spektrum galaxie a zjistil, že hostitelská galaxie BOATu má nejnižší metalicitu, což je míra množství prvků těžších než vodík a helium, ze všech předchozích hostitelských galaxií GRB. „Toto je další jedinečný aspekt LODĚ, který může pomoci vysvětlit její vlastnosti,“ řekl Li.

Studii „JWST detekce supernovy spojené s GRB 221009A bez podpisu r-processu“ podpořila NASA (číslo ocenění JWST-GO-2784) a National Science Foundation (čísla ocenění AST-2108676 a AST-2002577). Tato práce je založena na pozorováních provedených vesmírným teleskopem Jamese Webba NASA/ESA/CSA.

Článek byl upraven z tisové zprávy AAAS.

Silné energetické gama záření detekované ze Slunce nelze vysvětlit

5. 8. 2023 Tomáš Pokorný 0 komentářů 3 min read 6563 Zobrazení energie, foton, gama záření, slunce

Věda Vesmír

Astronomové zjistili, že ze Slunce přichází nadměrné množství gama záření s energií kolem bilionu elektronvoltů (TeV). Mělo se za to, že emise ze Slunce v tak vysokém energetickém rozsahu vyžadují poměrně vzácné okolnosti, takže objev, jak časté jsou, bude vyžadovat přehodnocení toho, jak by něco tak silného mohlo vzniknout, píše IFL Science.

Zemská atmosféra blokuje gama záření vysoko nad povrchem, což je pro nás jen dobře, jinak by se rakovina mohla vyskytovat tak často, že bychom se nikdy nevyvinuli. Astronomové používají družice pro pozorování gama záření s energií až 200 miliard elektronvoltů, ale nic nad tuto hodnotu nejsou schopni detekovat; gama záření s nejvyšší energií musí být detekováno nepřímo. Při dopadu na horní vrstvy atmosféry vytvářejí tyto paprsky spršku částic a fotonů s nižší energií, které se pohybují v podstatě stejným směrem. Pokud tyto produkty projdou vodou, vytvoří tzv. čerenkovské záření, což je podivná záře, kterou vytvářejí částice pohybující se v materiálu rychleji než rychlostí světla a kterou lze pozorovat za velmi tmavých podmínek.

Pomocí mnoha nádrží s vodou vedle sebe astronomové sledují, kdy jich začne najednou zářit tolik, že to indikuje tento druh spršky, a zjišťují energii a zdroj gama záření, které je muselo vyvolat.

Přístrojů, které by to dokázaly, není mnoho a většina z nich funguje pouze v noci. V důsledku toho víme více o vysokoenergetickém záření gama pocházejícím ze vzdálených objektů, jako jsou supernovy nebo oblasti vzniku hvězd, než o záření pocházejícím z našeho Slunce.

To astronomy nijak zvlášť netrápilo, protože se předpokládalo, že takové záření vzniká v extrémních prostředích, nikoliv u relativně klidné hvězdy středního věku, jako je Slunce. Předpokládalo se, že jediným způsobem, jak by Slunce mohlo produkovat záření v rozsahu TeV, by byla srážka kosmického záření z výkonnějšího zdroje s protonem ve Slunci. Předpokládalo se, že počet takových paprsků rozptýlených naším směrem je malý.

Proto když Dr. Mehr Un Nisa z Michiganské státní univerzity a jeho kolegové použili k pátrání po TeV záření gama observatoř HAWC (High Altitude Water Cherenkov Observatory), s údivem zjistili, že jsme na příjmu poměrně velkého množství. „Po prozkoumání dat za šest let se objevil tento přebytek gama záření,“ uvedla Nisa ve svém prohlášení. „Když jsme to poprvé uviděli, řekli jsme si: ‚Tohle jsme určitě zpackali. Slunce nemůže být při těchto energiích tak jasné.“ HAWC zjistil sedmkrát více než nejvyšší odhady záření v tomto rozsahu.

Další práce potvrdila, že údaje byly správné. Slunce skutečně produkuje i záření blížící se 10 TeV, ačkoli neexistují důkazy o ničem nad těmito hodnotami.

Abychom si udělali představu o tom, jak silné je toto gama záření, uvědomme si, že foton červeného světla má energii přibližně 1,8 eV, zatímco modré světlo má energii přibližně 3 eV. Rentgenové záření, které se používá při skenování kostí, má energii 40 000 eV a jaderný výbuch může produkovat gama záření o energii až několik milionů eV. 10 bilionů elektronvoltů je úplně jiné měřítko.

„Slunce je překvapivější, než jsme tušili,“ řekl Nisa. „Mysleli jsme si, že jsme tuto hvězdu prokoukli, ale není tomu tak.“

Tým zatím nemá vysvětlení, jaké síly uvnitř Slunce mohou produkovat tolik vysokoenergetických částic – teoretici budou mít svou verzi zábavy, když se to pokusí vyřešit.

Díky blokujícím účinkům atmosféry se nemusíme obávat biologických důsledků těchto gama paprsků, ale odhady nebezpečí pro astronauty při dlouhých letech bude možná třeba upravit.

Oznámení o všech těchto TeV slunečního gama záření bylo publikováno v časopise Physical Review Letters.