Kosmiczna eksplozja. Wstrząsnęła Ziemią z odległości 2 mld lat świetlnych

9 października 2022 r. przez siedem minut wysokoenergetyczne fotony z gigantycznej eksplozji oddalonej o 1,9 mld lat świetlnych wstrząsnęły atmosferą Ziemi. Astronomowie sądzą, że źródłem zjawiska była eksplozja supernowej, w wyniku której powstała czarna dziura. Zdarzenie to, zwane rozbłyskiem promieni gamma (GRB - Gamma Ray Burst), było 70 razy jaśniejsze od poprzedniego rekordzisty i zostało nazwane przez badaczy BOAT (skrót od the brightest of all time - najjaśniejszy w historii). Poza pokazem świetlnym eksplozja ta zjonizowała także atomy w górnych warstwach atmosfery. Gdyby podobna eksplozja zdarzyła się bliżej, mogłaby potencjalnie zaszkodzić życiu na Ziemi.

Wyniki i opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature Communications" (DOI: 10.1038/s41467-023-42551-5).

Potężny rozbłysk promieni gamma powstały w wyniku ogromnej kosmicznej eksplozji oddalonej o około dwa miliardy lat świetlnych. Dotarł do Ziemi 9 października 2022 r. Trwał zaledwie siedem minut, ale jego poświata była widoczna dla astronomów przez następne kilka godzin. Eksplozja ta wpłynęła na jonosferę, która rozciąga się na wysokości od 50 do 1000 km.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Astronomowie nie są do końca pewni, co powoduje GRB. Tego typu eksplozje świecą tak intensywnie, jak jasna gwiazda w Drodze Mlecznej, mimo że są miliardy razy bardziej odległe. Aby wyrzucić tak dużo energii na miliardy lat świetlnych, GRB muszą być naprawdę potężne.

Astronomowie sądzą, że część z tego typu eksplozji może pochodzić z supernowych, czyli eksplodujących gwiazd, które dokonały swojego żywota i zapadły się w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. Naukowcy lubią podkreślać ogrom takich eksplozji i często porównują je do Słońca. Według tego, typowy GRB uwalnia w ciągu kilku sekund tyle energii, ile Słońce w ciągu całego swojego życia trwającego 10 mld lat.

Ale nawet jak na standardy przyjęte w stosunku do GRB, to wydarzenie z października ubiegłego roku i tak było wyjątkowe. Uruchomiło automatyczne instrumenty, które zwykle badają rozbłyski słoneczne. Zakłóciło komunikację radiową a falach długich w dolnej jonosferze. Wpłyną także na górną jonosferę, co pokazało, że eksplozja odległa o ponad 2 miliardy lat świetlnych może oddziaływać na tę warstwę atmosfery.

Zaburzenie jonosfery w następstwie tej potężnej eksplozji zostało wykryte od razu, ale jego skala stała się jasna dopiero, gdy badacze zaczęli analizować zebrane dane.

GRB 221009A został zarejestrowany przez obserwatoria znajdujące się w kosmosie. Jednym z nich był chińsko-włoski satelita CSES (China Seismo-Electromagnetic Satellite) wyposażony w detektor pola elektrycznego. Orbituje on na wysokości około 500 kilometrów nad Ziemią. Ten mały satelita został wysłany w przestrzeń kosmiczną w 2018 roku, w celu badania wpływu aktywności sejsmicznej i wulkanicznej oraz rozbłysków słonecznych na jonosferę.

CSES znalazł się we właściwym miejscu i we właściwym czasie. Zarejestrował skok pola elektrycznego w obszarze jonosfery, przez który się przemieszczał, co mogło być spowodowane nagłym wzrostem jonizacji wywołanym przez GRB. Aby wykluczyć inne przyczyny, takie jak rozbłyski słoneczne, zespół stworzył model wpływu nagłego impulsu promieniowania gamma na górne warstwy atmosfery. Zgadzało się to z rozmiarem impulsu pola elektrycznego i opóźnieniem czasowym między GRB 221009A a impulsem. - Po raz pierwszy udało nam się zaobserwować taką zmianę w górnej części jonosfery – powiedział Mirko Piersanti z University of L’Aquila we Włoszech.

Z kolei obserwacje przeprowadzone przez należące do ESA Międzynarodowe Laboratorium Astrofizyki Promieniowania Gamma (Integral) ujawniły, że w ciągu 800 sekund trwania rozbłysku zmienił on pola elektryczne jonosfery aż do warstw najbliższych planecie.

Rozbłysk odebrał również instrument SuperSID w Obserwatorium Dunsink w Irlandii. To prosta antena dostrojona do odbioru sygnałów radiowych o bardzo niskiej częstotliwości (VLT) rzędu 3–30 kHz. SuperSID może analizować zmiany w kształcie i sile przechodzących sygnałów VLF, aby zebrać informacje o stanie dolnej jonosfery.

Laura Hayes analizujące dane z SuperSID 9 października 2022 roku zauważyła nagły skok siły sygnału VLF w momencie wystąpienia GRB 221009A. Skok był mniej więcej równoważny pod względem wielkości do małego lub średniego rozbłysku słonecznego. Zebrane dane wskazały, że fotony z rozbłysku sięgnęły wysokości 60 km nad powierzchnią Ziemi i jonizowały więcej cząsteczek w powietrzu. Poprzednie rejestracje GRB i wywołany przez nie skok siły VLF miały miejsce w nocy i nie były zakłócane przez aktywność Słońca. Ale GRB 221009A został uchwycony w środku dnia.

- Byliśmy zaskoczeni, że jest tak duży. Pokonał nawet Słońce – powiedziała Hayes. - Zasadniczo możemy powiedzieć, że jonosfera "przeniosła się" na niższe wysokości i wykryliśmy to na podstawie odbijania się fal radiowych wzdłuż jonosfery – dodała.

Naukowcy od dawna zastanawiali się, co by się stało, gdyby GRB o podobnej sile wybuchł w pobliskiej galaktyce lub nawet w Drodze Mlecznej. Jeśli GRB, który powstał w eksplozji mającej miejsce około dwa mld lat świetlnych od nas, może w ten sposób wpłynąć na całą naszą jonosferę, to taki, który byłby bliżej nas, mógłby mieć dla nas bardzo poważne konsekwencje.

- Zniszczyłoby to warstwę ozonową, która chroni żywe organizmy przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym Słońca - przyznał Piersanti.

Warstwa ozonowa złożona jest z trójatomowych cząsteczek tlenu. Chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym, które może powodować zmiany nowotworowe oraz uszkadzać materiał genetyczny. Ozon rodzi się w wyniku interakcji powietrza i światła słonecznego. Powstaje naturalnie w stratosferze na wysokościach od 15 do 35 km.

Uczeni szacują, że intensywny podmuch promieni gamma z pobliskiego GRB wytworzyłby tlenki azotu, które niszczą ozon szybciej, niż jest on w stanie się regenerować. Piersanti ocenił, że powrót warstwy ozonowej do stanu sprzed uszkodzenia mógłby zająć nawet dekadę. W tym czasie, jak wskazały modele, rośliny i zwierzęta mogłyby doznać znacznych uszkodzeń DNA w wyniku zwiększonego poziomu promieniowania ultrafioletowego.

Do Ziemi każdego dnia dociera co najmniej jeden GRB. Szacuje się jednak, że GRB tak silny jak BOAT zdarza się raz na 10 tys. lat.