Záblesky gama II.

Připomeňme, že po 23 let byly záblesky gama viděny jen jako krátké pulzy paprsků gama, které se na kraťoučký okamžik objevují na černé obloze (v oblasti gama) a nezanechávají po sobě žádné stopy. Náhodné pozorování vojenské družice se postupně stalo astronomickou záhadou století.

Rok 1999 začíná slibně

Jev zaznamenaný řadou družic včetně italské BeppoSAX přinesl 23. ledna 1999 senzaci. Nejenže byl zjištěn další optický dosvit záblesku gama, tentokrát poměrně jasný (18. hvězdné velikosti) a podařilo se získat jeho kvalitní spektrum umísťující zdroj do velké vzdálenosti (rudý posuv z = 1,6), ale především se poprvé podařilo přesvědčivě prokázat přímou emisi ve viditelném světle, která jev gama doprovázela. Optický záblesk dosáhl v maximu asi 9. hvězdné velikosti a byl nalezen na sérii snímků (první byl pořízen asi 22 sekund po detekci záblesku gama na družici) získaných americkým pozemním experimentem ROTSE v Los Alamos. Objekt se prudce zjasňoval, během prvních 20 sekund asi o 3 magnitudy až na 8,95 mag., a 10 minut po první expozici poklesl pod mez přístroje (14,5 magnitudy). Jde o první prokázanou detekci optického záblesku bezprostředně doprovázejícího záblesk gama (na rozdíl od dříve nalezených mnohem slabších optických dosvitů). Dokazuje to existenci optických záblesků při záblescích gama, kterou někteří astronomové (včetně autora článku) předvídali. Zároveň se tím pro zdroje záblesků otvírá nová možnost – zjišťování doprovodných jevů v optickém světle přístroji na zemském povrchu. Podstatně tím vzrostl význam přehlídek oblohy.

Někteří vědci přišli s myšlenkou, že tento jev je gravitačně čočkován galaxií ležící mezi zdrojem záblesku gama a Zemí ve vzdálenosti odpovídající rudému posuvu asi 0,2, a předpověděli opakování jevu v intervalu několika dní až několika měsíců. Zatím však chybějí přímé důkazy – a ani ty nepřímé nejsou jednoznačné. Čočkování vyžaduje spolupůsobící galaxii mezi pozorovatelem a zdrojem, a její existence je sporná. Původně se předpokládalo, že by tou galaxií mohl být slabý objekt asi 22. hvězdné velikosti nalezený na digitální verzi palomarské přehlídky oblohy, nově pořízená data však přítomnost takové galaxie nepotvrdila.

Co se chystá na Zemi

Jaká je šance, že optické záblesky, které doprovázejí záblesky gama, zachytíme monitory na zemském povrchu? Detekce krátkodobých zjasnění o značné magnitudě je bohužel v optickém oboru svízelná. Kromě bolidové sítě observatoře v Ondřejově a fotografické přehlídky oblohy na observatoři v německém Sonnebergu ani neexistuje pravidelné monitorování oblohy ve viditelném světle. V době družic je to paradoxní, neboť ty monitorují například v rentgenovém či gama oboru. Značnou šanci však mají zařízení rychle naváděná na místa záblesku (viz rámeček 1).

Co by se stalo při záblesku gama v naší Galaxii?

Blízký záblesk gama by byl tou největší přírodní katastrofou, jakou si dovedeme představit. Nikoli pro vlastní záření gama – to by pouze vymylo ozonovou vrstvu a zatemnilo oblohu, devastovalo světovou ekologii a zemědělství, ale horší by byla následující vlna extrémně energetických částic kosmického záření. Právě toto kosmické záření by bylo kritické pro vše živé a ponechalo by zemský povrch (aspoň jeho většinu) radioaktivní, a tedy po tisíce let neobyvatelný.

Kolize neutronových hvězd

Pokud jsou zdroje záblesků gama opravdu v kosmologických vzdálenostech, musí být extrémně energetické, a navíc malé v rozměru, aby bylo možno vysvětlit změny intenzity v rozmezí často jen milisekund. Oč může jít?

Nejpopulárnějším modelem byla donedávna kolize dvou neutronových hvězd, extrémně hustých objektů o něco málo hmotnějších než Slunce, avšak mnohem menších, s průměrem okolo 20 km. V této představě se dvě neutronové hvězdy v binární soustavě k sobě pozvolna přibližují, až se srazí a dají vzniknout černé díře. Exploze na krátký čas vyzařuje více energie než miliarda galaxií typu Mléčné dráhy. K vysvětlení emisního spektra s maximem v oblasti záření gama je zapotřebí, aby zdroj záblesků vyvrhoval hmotu s rychlostmi 99,9995 až 99,99995 procent rychlosti světla.

Na kolizi neutronových hvězd je založen i model Nira Sharviva a Arnona Dara z Izraelské techniky. Předpokládají, že černá díra vzniklá po srážce neutronových hvězd je na krátkou dobu obklopena diskem, který z pólů emituje intenzivní výtrysky (jety) s rychlostí jen o 0,00005 procenta nižší než rychlost světla. Kolize tohoto materiálu s fotony viditelného světla přesouvá fotony do oblasti záření gama, a toto záření pak pozorujeme, jestliže jety míří k pozorovateli, tedy k Zemi. Uvedený model je závislý na hmotném okolí srážky neutronových hvězd, což by mohlo vysvětlit velkou rozmanitost v pozorovaných časových profilech záblesků. Zmíněný model má však nepříjemný vedlejší důsledek. Ultrarelativistická těžká jádra v jetu představují velmi energetické kosmické záření, které snadno proniká mezigalaktickým i mezihvězdným prostředím. Po záblesku gama tedy (podle modelu) následuje déle trvající sprška kosmického záření.

Jiné modely zábleskových zdrojů záření gama by pochopitelně byly spojeny s více či méně odlišnými scénáři vlivu na naši Zemi. V naprosté většině případů by však dopad byl katastrofický.

Země na rožni

Kdyby záblesk gama nastal v naší Galaxii, tedy v oblasti Mléčné dráhy do vzdálenosti zhruba 3000 světelných let, mělo by to pro život na naší planetě katastrofální následky. Nazvěme to lokální záblesky gama nebo, chcete-li, záblesky za humny.

Jestliže jsou záblesky opravdu způsobeny srážkami dvou neutronových hvězd, je jen otázka času, kdy tento jev nastane u nás. V Mléčné dráze zatím známe tři jisté a další dva pravděpodobné páry neutronových hvězd. Lze očekávat, že se budou k sobě postupně přibližovat v důsledku ztrát orbitální energie gravitačním vyzařováním. Odhady naznačují, že takových systémů mohou být v naší Galaxii stovky. Předpokládá se, že jeden z párů se v Galaxii srazí asi za 2 až 3 miliony let. Pokud by takový jev nastal blíže než 3000 světelných let od Země, galaktické magnetické pole by nás před následným kosmickým zářením nestačilo uchránit. Srážek blízkých neutronových hvězd uvnitř uvedené oblasti lze ovšem předpokládat méně, asi jednou za 100 milionů let, což je na druhé straně alarmujícím způsobem blízké střednímu času mezi největšími zlomy v zemské geologické historii. K dosud známým párům neutronových hvězd patří PSR B1534+12 ve vzdálenosti 1600 světelných let. Orbitální perioda systému je 10,1 hodiny a předpokládaný čas srážky za 2730 milionů let. Zbývající dvě potvrzené soustavy čeká srážka dříve: PSR B1913+16 za 300 milionů let (systém je 24 000 světelných let daleko a má periodu 7,75 hodiny) a PSR B2127+11C za 220 milionů let (vzdálenost 35 000 světelných let, orbitální perioda 8,05 hodiny).

Co by se tedy stalo, kdyby opravdu nastal záblesk „za humny“? Prvním důsledkem by byla mocná sprška záření gama, která by energeticky převyšovala záření dopadající na Zemi od Slunce. Většina záření by ovšem zůstala našim očím neviditelná. Na obloze bychom však spatřili difuzní oblast Čerenkovovy emise způsobené interakcí fotonů gama s horními vrstvami zemské atmosféry. Oblast by byla přibližně stejně jasná jako měsíční úplněk a poněkud větší. Samo záření gama by bylo zemskou atmosférou pohlceno a na zemský povrch by se tudíž nedostalo. Nicméně by i tato sprška záření měla vážné důsledky pro zemskou ekosféru. Fotony gama by totiž rozložily řadu molekul v horních vrstvách zemské atmosféry a vyvolaly by chemické reakce, které by vyprodukovaly velké množství oxidů dusíku v polovině atmosféry přivrácené ke směru přicházejícího záření. Tyto sloučeniny jsou silné absorbéry světla a známe je jako jednu ze složek smogu našich měst. A tak by se již během několika sekund mohlo ovzduší na straně přivrácené k záblesku zatemnit.

Následovala by destrukce ozonové vrstvy a na zemský povrch by začalo dopadat pronikavé ultrafialové sluneční záření. Před ním by se lidé mohli schovat do budov, ale rostliny a volně žijící zvířata se chránit neumějí. Zemský ekosystém by byl devastován a rostliny, klíčové v potravinové produkci, by byly těžce poškozeny nebo zničeny. Postižena by byla i teplota na Zemi a celé klima, a to nadlouho. Trvalo by patrně celá desetiletí, než by se nebezpečné sloučeniny dostaly ze zemské stratosféry pryč.

Zmíněné jevy by však zdaleka nepředstavovaly to nejhorší. Následující sprška kosmického záření by totiž měla ještě katastrofálnější následky. Dorazila by se zpožděním několika dní a desítky dní by trvala. Země otáčející se kolem své osy by se dala doslova přirovnat ke kuřeti na rožni. Každá energetická částice s energií řádu trilionu elektronvoltů by na základě kaskády subatomických interakcí vyvolala spršku energetických mionů, které by pronikly až na zemský povrch. Celková dávka mionů, která by dosáhla zemského povrchu na úrovni moře, by asi 100násobně převýšila smrtící dávku pro lidi. Miony by pronikly i stovky metrů pod zemský povrch a postihly by vše živé až na některé mimořádně radiačně odolné druhy. Vysoceenergetické částice by navíc rozložily jádra vzduchu a zemského povrchu na lehčí jádra, z nichž by některá byla radioaktivní s poločasem rozpadu řady let. Radioaktivní znečistění by se větrem a atmosférickou cirkulací rozšířilo všude.

Tento scénář nám možná pomůže pochopit leccos ze zemské historie, například náhlá vyhynutí druhů, přežití hlubokovodních organizmů, nebo naopak náhlé objevení nových druhů zvýšenou mutací. Bombardování kosmickým zářením by sice trvalo řádově pouze měsíc, ale obsahovalo by tolik energie jako 10 milionů let normální hladiny kosmického záření, a to ještě k tomu v podobě víceenergetických, tedy více nebezpečných částic. Následky by přetrvávaly velmi dlouho, zejména pokud jde o radioaktivní nuklidy s poločasy rozpadu mezi 15 miliony a 146 miliony let. Bylo by tedy možné hledat takové stopy v zemské geologické historii? Není to tak snadné, jak by se mohlo zdát, protože i pozadí normálního kosmického záření, nahromaděné za dobu řádově 100 milionů let mezi jednotlivými záblesky gama, může tyto izotopy produkovat v horninách poblíž zemského povrchu. Nicméně přesná hmotová spektroskopie by leccos mohla ukázat, stejně jako testy náhlé změny v hustotě kosmického záření podle stop v horninách před vymizením druhů a po něm.

Další katastrofy

Ale pozor, copak i dopady komet a asteroidů nemohou způsobovat náhlá vyhynutí druhů? Nejlepším takovým příkladem je dopad, který možná zavinil vymření dinosaurů před zhruba 65 miliony let. Stáří kráteru o průměru 180 km pod sedimenty v Yucatanu bylo odhadnuto na 64,98 milionu let s chybou 0,05 milionu, což je dobrá shoda. Tak velký dopad musel být katastrofický. Je však otázka, zda tento jev stačil dinosaury vyhubit.

Příčin hromadného vymizení živočišných druhů mohlo být v naší minulosti více. Některé z nich mohly souviset s pozemními projevy, jako například tektonickými pohyby zemské kůry nebo erupcemi vulkánů, jiné s kosmickými jevy. Nemusel to být jen dopad komety či záblesk gama, ale třeba výbuch velmi blízké (pod 30 světelných let) supernovy, který by také vyvolal radiační zátěž. Existuje i teorie, podle níž centrum naší Galaxie prodělává každých 100 milionů let rekurentní výbuch, při němž se stává velmi aktivním galaktickým jádrem. I v tomto případě by zvýšená intenzita kosmického záření ohrozila život na naší planetě.

Lze se chránit?

Převládá názor, že ochrana před dopadem asteroidu či komety dnes možná je. Spočívá v pečlivé inventarizaci malých těles sluneční soustavy, spojené v případě potřeby s aplikací raketové a kosmické techniky jen o málo vyvinutější, než je dnes k dispozici. Co bychom ale mohli dělat, kdyby hrozila srážka neutronových hvězd, navíc tisíce světelných let daleko?

Nejlepší šanci bychom měli v případě, kdyby výbuch nastal poblíž jednoho z nebeských pólů. Pak by totiž Země sama odstínila odlehlou polokouli. Naproti tomu jev poblíž nebeského rovníku by ponechal jen malou odstíněnou oblast poblíž jednoho ze zemských pólů. Určitou naději představují i oblasti chráněné za vysokým pohořím či uvnitř hlubokých kaňonů, avšak v každém případě by byl tento jev smrtelný v důsledku globálního proudění.

Nicméně jedna možnost tu přece je. Na rozdíl od náhle objevených komet či asteroidů je srážka neutronových hvězd ve známých systémech předvídatelná mnoho milionů let dopředu. Jejich pozvolné přibližování lze odvodit na základě studia hmot obou komponent, orbitální excentricity a periody. Tak například o pěti dosud známých soustavách neutronových dvojic v naší Galaxii víme, že jejich kolize nastanou za 220 milionů až 4 biliony let. Budoucí generace astronomů přitom budou schopny provést inventarizaci Galaxie s ohledem na páry neutronových hvězd mnohem podrobněji a najdou několik set dalších, které by (dle našich předpokladů) mohly existovat. Po jejich inventarizaci a určení řady parametrů bude zřejmě možno říci, kdy a jak mohou pro nás představovat nebezpečí. Příští srážka by mohla nastat odhadem za 50 milionů let, což jistě ponechává dost času pro nějakou akci, například přesunutí lidstva hluboko pod zemský povrch.

Lepším řešením by byla ochrana celé Země, dejme tomu s využitím materiálu z Měsíce či z asteroidu. Například jen samotný asteroid Ceres obsahuje více materiálu, než by bylo zapotřebí k vytvoření ochrany v podobně disku silného 1 km a zastiňujícího celou Zemi. Disk by ovšem musel být umístěn tak, aby Zemi zastiňoval po dobu minimálně jednoho měsíce. Takové oběžné dráhy však opravdu existují. S ohledem na trvání projektu by to pro budoucí generace mohla být schůdná možnost.

Vyřešíme záhadu století ještě před jeho koncem?

Záblesky gama jsou právem pokládány za největší astrofyzikální záhadu století. Více než třicet let se vzpírají objasnění. Zdá se však, že díky překotnému vývoji v letech 1997–1998 máme objasnění na dosah ruky. Dnes již pokládáme za téměř prokázané, že záblesky vznikají ve velkých (kosmologických) vzdálenostech, při izotropním vyzařování uvolňuji během velmi krátké doby 10⁴⁶ – 10⁴⁷ wattů (u vzdálenějších objektů možná ještě víc) a zřejmě vznikaji ve vzdálených slabých mateřských galaxiích, ale ještě přesně nevíme, jakým mechanizmem. Nejnovější poznatky naznačují možnost, že zdroje záblesků gama souvisejí s oblastmi zrodu hvězd ve vzdálených galaxiích, ale pro potvrzení této hypotézy potřebujeme další pozorování. Ať tak či onak, rozhodně jde o nejsilnější známé exploze v celém vesmíru. Jejich vysvětlení tedy může – třeba i nečekaně – obohatit nejen současnou astronomii a astrofyziku, ale i fyziku jako celek. Není vyloučeno, že nám ho přinese již tento nebo příští rok, a že tedy bude tajemství zábleskových zdrojů záření gama definitivně objasněno ještě v tomto století.