นักดาราศาสตร์ตรวจพบรังสีแกมมาที่ทำลายสถิติระเบิดจากการระเบิดขนาดมหึมาในอวกาศ

การปะทุอันทรงพลังในดาราจักรที่อยู่ห่างไกลทำให้เกิดโฟตอนที่มีพลังงานสูงพอที่จะถูกตรวจพบโดยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินเป็นครั้งแรก

ในคืนวันที่ 14 มกราคม 2019 นักดาราศาสตร์ Razmik Mirzoyan ได้รับโทรศัพท์ที่บ้านของเขาในเยอรมนี ผู้สังเกตการณ์กะทันหันของกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมาในบรรยากาศหลัก (MAGIC) ในหมู่เกาะคะเนรีอยู่ในอีกแนวหนึ่ง ได้รับการแจ้งเตือนจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ 2 ตัว ได้แก่ หอดูดาว Neil Gehrels Swift และกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Fermi Gamma-ray กล้องโทรทรรศน์ MAGIC ทั้งสองตัวถูกชี้ไปในทิศทางของการปล่อยก๊าซจากการปะทุของจักรวาลที่มีพลังมหาศาลซึ่งมาถึงโลก ภายใน 20 นาทีแรกของการสังเกต กล้องโทรทรรศน์ตรวจพบสัญญาณที่แรงและเพิ่มขึ้นซึ่งดูเหมือนว่าจะมาจากการปะทุของรังสีแกมมา ซึ่งเป็นการระเบิดประเภทที่มีพลังมากที่สุดในจักรวาล

มีร์โซยานบอกให้ผู้สังเกตการณ์ทำการวัดต่อไป

คืนนั้น Mirzoyan ซึ่งเป็นนักวิจัยของ Max Planck Institute for Physics ในมิวนิก ขีดข้อความสั้น ๆ เกี่ยวกับTelegram ของนักดาราศาสตร์หวังว่าผู้ให้บริการกล้องโทรทรรศน์รายอื่นจะเปลี่ยนเครื่องของพวกเขาไปทางสัญญาณ เขาอธิบายว่ากล้องโทรทรรศน์ MAGIC มองเห็นการปล่อยพลังงานสูงสุดที่เคยวัดจากการระเบิดของรังสีแกมมา (GRB) ด้วยพลังงานโฟตอนสูงถึง 1,000 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์หรือ 1 เทราอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) สิ่งเหล่านี้ยังเป็นการสังเกตการณ์ครั้งแรกของการปะทุของรังสีแกมมา (GRB) โดย MAGIC หรือกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินอื่นๆ

Mirzoyan มุ่งหน้าไปยังแอริโซนาในวันรุ่งขึ้นเพื่อเฉลิมฉลองการเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมารุ่นต่อไปที่หอดูดาววิปเปิล โดยไม่หลับไม่ นอน เมื่อถึงเวลาที่เขามาถึง ก็มีข่าวลือแพร่สะพัดเกี่ยวกับการตรวจจับ ทุกคนในห้องต่างกระตือรือร้นที่จะจับมือ Mirzoyan และแสดงความยินดีกับทีม MAGIC เจมี่ โฮลเดอร์ นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเดลาแวร์ที่อยู่ที่นั่นกล่าว “เกือบทุกการสนทนาที่ฉันมีในสัปดาห์นั้นเน้นที่การค้นพบนี้” เขากล่าว “พวกเขาเห็นอะไร หมายความว่าอย่างไร เรามองเห็นด้วยหรือ”

ไม่กี่เดือนต่อมา นักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่งได้ผ่านการสังเกตที่เก็บไว้ และพบว่าพวกเขาก็ตรวจพบการปล่อย GRB จากพื้นดินเช่นกัน ในเดือนกรกฎาคม 2018 อาร์เรย์กล้องโทรทรรศน์ระบบสามมิติพลังงานสูง (HES) ของกล้องโทรทรรศน์ในนามิเบียตรวจพบการแผ่รังสีสายัณห์จาง ๆ ของ GRB อีก 10 ชั่วโมงหลังจากการระเบิดครั้งแรก แม้จะผ่านไปเกือบครึ่งวัน แสงระเรื่อก็ยังคงมีโฟตอนที่มีพลังงานตั้งแต่ 100 ถึง 440 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ ทั้งสองทีมได้ตีพิมพ์ผล งานของพวกเขา ในวารสารNatureวันนี้

“กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินเหล่านี้ทำงานมานานกว่าทศวรรษแล้ว และ GRB ก็เป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของพวกเขา และนี่เป็นครั้งแรกที่พวกเขาตรวจพบพวกมันจริงๆ” นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Bing Zhang จากมหาวิทยาลัยเนวาดา ลาสเวกัส กล่าว ไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัย แต่เขียนบทบรรณาธิการเกี่ยวกับเอกสารใหม่สำหรับNature

รังสีแกมมาเป็นรูปแบบรังสีที่มีพลังงานสูงสุดโดยมีความยาวคลื่นที่เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม (เพื่อเปรียบเทียบ คลื่นวิทยุมีความยาวคลื่นตั้งแต่ประมาณมิลลิเมตรถึงหลายร้อยกิโลเมตร) การปะทุของรังสีแกมมาเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในดาราจักรที่อยู่ห่างไกลออกไป และนักดาราศาสตร์เชื่อว่าการระเบิดอย่างรุนแรงสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อดาวมวลสูงตายและยุบตัวด้วยตัวมันเอง ส่งผลให้เกิดซุปเปอร์โนวา ในหนึ่งวินาที GRB สามารถปลดปล่อยพลังงานได้มากเท่าที่ดวงอาทิตย์จะผลิตได้ในช่วงชีวิตของมัน แสงมาถึงโลกเป็น “แสงวาบ” ของรังสีแกมมา แฟลชนี้สัมพันธ์กับไอพ่นพลาสม่าที่มีพลังงานสูงซึ่งก่อตัวขึ้นเมื่อแกนกลางของดาวที่กำลังจะตายกลายเป็นหลุมดำหรือดาวนิวตรอน โฮลเดอร์กล่าว และสายัณห์ที่ตามมานั้นมาจากคลื่นกระแทกขณะที่เจ็ตพุ่งเข้าไปในบริเวณโดยรอบ ภาค.

เมื่อเทียบกับกล้องโทรทรรศน์ในอวกาศซึ่งสังเกตการณ์ GRB มาหลายปีแล้ว กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินมีพื้นผิวที่ใหญ่กว่ามากสำหรับการตรวจจับ แต่มีข้อเสียของการอยู่ใต้ชั้นบรรยากาศของโลกซึ่งดูดซับรังสีแกมมา จนถึงขณะนี้ การตรวจจับ GRB จากพื้นผิวโลกได้พิสูจน์แล้วว่าเข้าใจยาก

“ตอนนี้เรารู้แล้วว่าสามารถสังเกต GRB จากพื้นดินจนถึงพลังงานสูงได้ นานหลังจากการระเบิดเกิดขึ้น” โฮลเดอร์กล่าว “สิ่งนี้จะช่วยให้เราปรับกลยุทธ์การค้นหาของเราเพื่อค้นหาการระเบิดเพิ่มเติม และศึกษาพวกเขาในฐานะประชากร”

GRB ทั้งสองที่สังเกตพบเชื่อว่าเป็นผลมาจากซุปเปอร์โนวา การระเบิดที่เห็นโดย MAGIC ที่เรียกว่า GRB 190114C นั้นมาจากที่ไกลประมาณ 4.5 พันล้านปีแสง และแบบที่เห็นโดย HESS ชื่อ GRB 180720B นั้นมาจากระยะไกล 6 พันล้านปีแสง

การสังเกตแสดงให้เห็นว่า GRBs ปล่อยพลังงานออกมามากกว่าที่เคยรู้จัก Konstancja Satalecka นักวิทยาศาสตร์จาก German Electron Synchrotron (DESY) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทำงานร่วมกันของ MAGIC กล่าวในแถลงการณ์ว่านักวิจัยยังขาดงบประมาณด้านพลังงานของ GRB ประมาณครึ่งหนึ่งจนถึงปัจจุบัน “การวัดของเราแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาในรังสีแกมมาที่มีพลังงานสูงมากนั้นเทียบได้กับปริมาณที่แผ่ออกมาจากพลังงานต่ำทั้งหมดที่นำมารวมกัน” เธอกล่าว “น่าทึ่งมาก!”

ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ทราบด้วยว่า GRB สามารถเร่งอนุภาคภายในตัวระเบิดได้ หลังจากพิจารณาคำอธิบายเชิงทฤษฎีอื่นๆ ออกไปแล้ว นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองทีมได้แนะนำว่าโฟตอนรังสีแกมมาพลังงานสูงมากถูกอิเล็กตรอนกระจัดกระจายขณะเดินทางผ่านอวกาศ ซึ่งจะช่วยเพิ่มพลังงานในกระบวนการที่เรียกว่า การกระเจิง ของคอมป์ตันแบบผกผัน

“ผลลัพธ์เหล่านี้น่าตื่นเต้นมาก” Dan Hooper หัวหน้ากลุ่มทฤษฎีฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ Fermi National Accelerator Laboratory กล่าวในอีเมล “นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์คาดการณ์ว่ารังสีแกมมาระเบิดเป็นเวลานานจะปล่อยโฟตอนในช่วงพลังงานนี้ (ช่วง teraelectronvolt) แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่เคยมีการสังเกตมาก่อน” ฮูเปอร์รู้สึกประหลาดใจด้วยว่าการปล่อยพลังงานสูงสามารถคงอยู่ได้ในช่วงสายยาวของ GRB 180720B “เมื่อพิจารณาว่าการระเบิดครั้งแรกวัดได้ในเวลาหลายสิบวินาที การเรืองแสงในช่วง 10 ชั่วโมงที่พลังงานสูงนั้นเป็นคุณลักษณะที่โดดเด่น”

ผลการวิจัยจาก MAGIC และ HESS ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้สึกตื่นเต้นมากขึ้นสำหรับกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมารุ่นต่อไป กล้องโทรทรรศน์ใหม่ที่ Mirzoyan กำลังเฉลิมฉลองในรัฐแอริโซนาเป็นต้นแบบสำหรับ หอดูดาว Cherenkov Telescope Array (CTA) ซึ่งจะประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์ 118 ตัวที่สร้างขึ้นในชิลีและหมู่เกาะคานารี เมื่อใช้งานแล้ว กล้องโทรทรรศน์เหล่านี้จะสามารถตรวจจับรังสีแกมมาในช่วง 20 GeV ถึง 300 TeV โดยมีความไวแสงที่ดีกว่าหอสังเกตการณ์อื่นๆ ในปัจจุบันประมาณสิบเท่า

Edna Ruiz-Velasco นักวิจัยจากสถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์ในเมืองไฮเดลเบิร์ก ประเทศเยอรมนี ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทีม HESS กล่าวว่าหอสังเกตการณ์ใหม่เหล่านี้จะสามารถตรวจจับ GRB ได้หลายวันหลังจากการระเบิดครั้งแรก ซึ่งครอบคลุมระยะเวลาที่ยาวนานขึ้นของ การปล่อยมลพิษทั้งหมด การตรวจจับที่ดีขึ้นอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบความเชื่อมโยงที่เป็นไปได้ระหว่างการระเบิดของรังสีแกมมากับคลื่นโน้มถ่วงหรือระลอกคลื่นในกาลอวกาศที่นักวิทยาศาสตร์เพิ่งสังเกตเห็นได้โดยตรงเมื่อไม่นานนี้

หลังจากรอมานานหลายทศวรรษ Mirzoyan กล่าวว่าเขาคิดว่าการสังเกตการณ์ GRB จากภาคพื้นดินจะกลายเป็นกิจวัตรมากขึ้น ทีม HESS ได้โพสต์ข้อความแจ้งอีกครั้งใน Telegram ของนักดาราศาสตร์ว่าพวกเขาพบการระเบิดอีกครั้งในเดือนสิงหาคม ด้วยข้อมูลที่หลั่งไหลเข้ามามากขึ้น นักดาราศาสตร์อาจจะคลี่คลายความลึกลับของการระเบิดครั้งใหญ่ที่สุดในจักรวาลได้ในไม่ช้า

หน้าแรก