Pomocou neutrín k FRB zábleskom?
Valentín Korinek - 2020-10-14

Neutrónová hviezda ako magnetar v predstavách umelca. (Credit: NASA)

Už viac ako desaťročie si astronómovia lámu hlavu nad pôvodom rýchlych rádiových   výbuchov, (FRB - fast radio burst), ktoré pochádzajú väčšinou zo vzdialených galaxií. V tom istom období vedci detegovali aj vysokoenergetické neutrína, prízračné častice mimo Mliečnej dráhy, ktorých pôvod nie je známy.

Nová teória naznačuje, že dva záhadné signály môžu pochádzať z jedného kozmického zdroja: vysoko aktívnych a zmagnetizovaných neutrónových hviezd nazývaných *magnetary. Ak je to pravda, pomohlo by to vysvetliť, ako často môže dochádzať k rádiovým impulzom či dokonca FRB zábleskom. Nájsť tzv. „dymiacu zbraň“ - simultánne neutríno a rádiový záblesk z rovnakého magnetaru je však náročné, pretože takéto neutrína sú zriedkavé a ťažko sa hľadajú.

Zaregistrovalo sa už viac ako sto FRB zábleskov, no väčšina z nich je príliš ďaleko na to, aby sme mohli presne zistiť, čo spôsobuje, že tieto záblesky nesú so sebou aj napriek obrovskej vzdialenosti vysoké hodnoty energie. Do úvah sa vmiesilo hneď niekoľko možných vysvetlení, od hviezdnych kolízií cez supermasívne čierne diery, po rotujúce hviezdne mŕtvoly nazývané *pulzary až po pulzary obiehajúce okolo čiernych dier. Niektorí dokonca tieto zdroje pripisovali mimozemšťanom. Najlepším adeptom sa ukázali práve magnetary. Ukazuje sa, že väčšina zdrojov z FRB zábleskov je práve z týchto unikátnych neutrónových hviezd.

V apríli roku 2020 astronómovia zaznamenali prvý takýto FRB záblesk prichádzajúci z našej galaxie. Výbuch bol dosť blízko, približne 30 000 svetelných rokov od nás, a tak ho astronómovia mohli vystopovať späť k mladému aktívnemu magnetaru s názvom SGR 1935 + 2154. Je to ako nájsť “rosettskú dosku“  na pochopenie FRB zábleskov.

Existujú dva typy zdrojov, ktoré predpokladáme. V prvom prípade ide o to, že magnetické pole sa v takomto objekte vyvíja a snaží sa získať čo najmenšiu energiu, pričom sa prepojujú magnetické siločiary a občas sa uvoľní energia a magnetar zablýska. Ide o jediné záblesky, ktoré sa opakujú a hovoríme im záblesky mäkkého gama a tvrdého röntgenového žiarenia (SGR). Alebo v druhom prípade po tom čo dôjde v magnetickom poli takejto neutrónovej hviezdy ku tzv. katastrofickej rekonexii, celý magnetar za zatrasie, úplne zmení svoju konfiguráciu a vypustí gigantický impulz energie.




Nová štúdia naznačuje, že *magnetary, vysoko zmagnetizované hviezdne mŕtvoly na obrázku, by mohli byť zdrojom dvoch rôznych vesmírnych záhad: rýchlych rádiových výbuchov a vysokoenergetických neutrín. (draco-zlat / iStock / Getty Images Plus)


Len takéto formy energetických impulzov by produkovali neutrína a rýchle rádiové výbuchy súčasne. Niektoré magnetary emitujú žiarenie opakovane a tým obohacujú svoje okolie nabitými časticami. Rozhodujúce je, že každá “spŕška“ žiarenia by vyťažila nejaké protóny z povrchu neutrónovej hviezdy. V prípade, ak magnetar disponuje zhlukom elektrónov, pridaním protónov do zmesi sa pripraví pôda pre dvojnásobnú dávku kozmických javov.

Keď ďalšia erupcia narazí na protóny uvoľnené predchádzajúcou erupciou, urýchlia sa protóny a elektróny v rovnakom smere a pri rovnakých rýchlostiach. Tento „usporiadaný tanec“ elektrónov by mohol viesť k rýchlemu rádiovému výbuchu premenou energie pohybu elektrónov na rádiové vlny. A protóny by tak mohli prejsť reťazovou reakciou, ktorej by výsledkom bolo jedno vysokoenergetické neutríno v pomere jedno neutríno na jeden protón.

Vedci vypočítali energie akýchkoľvek neutrín, ktoré by boli produkované rýchlym rádiovým výbuchom zaznamenaným v apríli. Tím zistil, že tieto energie sa zhodujú s tými, ktoré mohlo detegovať neutrínové observatórium IceCube v Antarktíde.

V apríli však observatórium nezistilo žiadne neutrína z tohto magnetaru. Vedcov to však neprekvapilo, pretože sa očakáva, že neutrína z FRB zábleskov budú zriedkavé a ich detekcia náročná.
Aj detekcia jedného neutrína z jedného FRB záblesku by bola objavom. Potrebujeme teda mať šťastie, že FRB záblesk, ktorý smeruje k Zemi, vyprodukuje aspoň jedno jediné detegovateľné neutríno.



––––––––––––––––––-
* Magnetar je neutrónová hviezda, ktorej hlavným prejavom je extrémne silné magnetické pole. Rozpad nestabilnej kôry magnetaru doprevádzajú mohutné vysokoenergetické výboje, najmä röntgenových lúčov a gama žiarenia. Tieto objekty predpovedali Robert Duncan a Christopher Thompson v roku 1992. Počas desaťročia bola magnetarová hypotéza akceptovaná ako možné fyzikálne vysvetlenie pozorovaných objektov ako sú SGR (Soft gamma repeater) a AXP (Anomalous X-Ray Pulsar). Podľa počítačovej simulácie vzniká magnetar pri zrážke a zlúčení dvoch masívnych hviezd (1,5 násobok solárnej hmotnosti). Potom ako zrážka vytvorí supernovu, môže vzniknúť magnetar.


*Pulzary sú rotujúce neutrónové hviezdy, ktoré môžeme pozorovať ako zdroje elektromagnetického žiarenia. Intenzita žiarenia sa mení s pravidelnou periódou, čo sa zdôvodňuje rotáciou hviezdy. Neutrónová hviezda sa totiž točí tak rýchlo, že odstredivá sila tvaruje žiarenie, ktoré hviezda emituje, do kužeľov pri rovníku, ktoré pravidelne, ako maják, zasahujú určitú časť vesmíru. Z toho dôvodu nemôžeme vidieť všetky existujúce pulzary, aj keby boli pomerne blízko, ale len tie, ktorých kužele nás pri otáčaní zasahujú. Pulzary po prvýkrát odhalili na rádiových vlnových dĺžkach Jocelyn Bell a Antony Hewish v roku 1967, no odvtedy už boli nájdené aj v röntgenovom a gama žiarení. Za túto prácu dostal Hewish v roku 1974 Nobelovu cenu. Astronómovia dnes poznajú tri triedy pulzarov, ktoré sa odlišujú zdrojom energie, ktorý dodáva energiu ich žiareniu:


Pulzary poháňané rotáciou, pri ktorých dodáva energiu žiareniu strata rotačnej energie hviezdy.
Röntgenové pulzary, pri ktorých je zdrojom energie gravitačná potenciálna energia nahromadenej hmoty.
Magnetary, pri ktorých je zdrojom energie rozpad extrémne silného magnetického poľa.

Hoci všetky tri triedy tvoria neutrónové hviezdy, ich pozorovateľné správanie a základná fyzika sú odlišné. Aj medzi nimi však existujú spojenia. Napríklad röntgenové pulzary sú pravdepodobne staré pulzary poháňané rotáciou, ktoré už stratili väčšinu svojej energie a stali sa znova viditeľné po tom, čo ich sprievodné hviezdy expandovali a začali presúvať hmotu na neutrónovú hviezdu. Proces nahromadenia hmoty môže následne preniesť dostatok uhlovej hybnosti na neutrónovú hviezdu a „recyklovať“ ju na rotáciou poháňaný milisekundový pulzar.