Astronomi su uz pomoć radioteleskopa Very Large Array (VLA) prvi put na centimetarskim valnim duljinama zabilježili linearno polarizirano radijsko zračenje iz naknadnog sjaja bljeska gama-zračenja. U istim su podacima prvi put izmjerili i Faradayevu rotaciju u okolišu takvog događaja.
Faradayeva rotacija nastaje kada polarizirano zračenje prolazi kroz ionizirani plin prožet magnetskim poljem. Smjer polarizacije pritom se zakreće, a veličina promjene ovisi o magnetskom polju duž puta signala, gustoći slobodnih elektrona i udaljenosti koju zračenje prolazi kroz takav plin.
Mjerenje se odnosi na bljesak GRB 260310A, čiji je radijski naknadni sjaj bio među najsjajnijima zabilježenima posljednjih desetljeća. Njegova je svjetlina astronomima omogućila mjerenje polarizacije na više frekvencija, između 11 i 25 gigaherca.
Polarizacija otkriva ono što obična mjerenja sjaja ne mogu
Bljeskovi gama-zračenja među najenergetskijim su eksplozijama u svemiru. Njihovi uski mlazovi čestica mogu se kretati brzinama bliskima brzini svjetlosti, a sudar mlaza s okolnim materijalom stvara naknadni sjaj koji astronomi mogu pratiti u rendgenskom, vidljivom i radijskom dijelu spektra.
Ti se događaji znatno razlikuju po trajanju, sjaju i podrijetlu. To pokazuju bljesak koji je trajao gotovo sedam sati i GRB 221009A, najsjajniji dosad zabilježeni bljesak gama-zračenja.
U slučaju GRB-a 260310A VLA nije mjerio samo ukupni intenizitet radijskog signala. Zabilježio je i njegovu linearnu polarizaciju, što znači da su elektromagnetski valovi titrali pretežno u određenom smjeru.
Udio polariziranog zračenja smanjivao se s približno 3,2 posto na 25 gigaherca na oko 0,7 posto na 11 gigaherca. Istodobno se s frekvencijom mijenjao i kut polarizacije. Ta je pravilna promjena pokazala da je riječ o Faradayevoj rotaciji.
Mjerenje ne daje izravnu sliku magnetskog polja niti samo po sebi određuje njegovu jakost. Omogućuje procjenu zajedničkog utjecaja magnetskog polja i ioniziranog plina kroz koji je zračenje prošlo.
Signal upućuje na gust i snažno magnetiziran okoliš
Astronomi su za GRB 260310A izračunali mjeru rotacije od približno −8300 radijana po kvadratnom metru, nakon što su uzeli u obzir udaljenost izvora i širenje svemira. Riječ je o vrlo velikoj vrijednosti.
Očekivani doprinos Mliječne staze i međugalaktičkog prostora premalen je da bi objasnio izmjereni signal. Većina Faradayeve rotacije zato je vjerojatno nastala u neposrednom okolišu GRB-a ili unutar njegove matične galaksije.
Autori smatraju da podaci najbolje odgovaraju prolasku zračenja kroz gusto i magnetizirano područje ioniziranog vodika, poznato kao područje H II. Takva područja nastaju oko mladih masivnih zvijezda, čije snažno ultraljubičasto zračenje i zvjezdani vjetrovi ioniziraju okolni plin.
GRB 260310A bio je dugotrajan bljesak povezan sa supernovom SN 2026fgk, nastalom kolapsom masivne zvijezde. Okoliš na koji upućuje Faradayeva rotacija u skladu je s takvim podrijetlom.
Bljeskovi gama-zračenja ipak ne nastaju svi na isti način. Neki su povezani s kolapsom masivnih zvijezda, dok drugi nastaju pri sudarima kompaktnih objekata. U pojedinim slučajevima podrijetlo je još nejasnije, poput mogućeg gama-signala povezanog sa sudarom dviju crnih rupa.
Mjerenje otkriva i strukturu magnetskog polja u mlazu
Polarizacija ne sadrži samo podatke o plinu koji okružuje eksploziju. Može otkriti i kako je magnetsko polje raspoređeno unutar samog mlaza.
Autori radijsko zračenje tumače kao posljedicu povratnog udarnog vala u strukturiranom relativističkom mlazu. Smanjenje polarizacije na nižim frekvencijama vjerojatno je povezano sa sinkrotronskom samoapsorpcijom, pri kojoj područje iz kojeg dolazi zračenje postaje manje propusno za vlastite radiovalove.
Relativno malen udio polariziranog zračenja na višim frekvencijama upućuje na to da magnetsko polje u mlazu nije potpuno jednoliko. Vjerojatno se sastoji od manjih područja u kojima je polje različito usmjereno. Njihovi se signali pri promatranju djelomično poništavaju, pa je ukupna polarizacija slabija.
Podaci tako pružaju dvije različite vrste informacija. Udio polariziranog zračenja govori o rasporedu magnetskog polja u mlazu, dok Faradayeva rotacija otkriva svojstva ioniziranog i magnetiziranog plina kroz koji signal prolazi.
Buduća opažanja pokazat će mijenja li se magnetski okoliš
GRB 260310A bio je dovoljno blizu i dovoljno sjajan za mjerenje koje kod većine takvih događaja trenutačno nije moguće. Zbog toga ga ne treba smatrati tipičnim primjerom svih bljeskova gama-zračenja.
Buduća opažanja morat će pokazati koliko se često može izmjeriti polarizacija na centimetarskim valnim duljinama i razlikuju li se magnetski okoliši pojedinih vrsta bljeskova. Praćenje istog naknadnog sjaja tijekom nekoliko dana ili tjedana moglo bi pokazati mijenja li se magnetska struktura mlaza, dok bi približno stalna Faradayeva rotacija poduprla zaključak da signal nastaje u okolnom području ioniziranog plina.
Magnetska polja u udaljenim dijelovima svemira vrlo je teško izravno proučavati. Astronomi se zato oslanjaju na promjene koje ona ostavljaju u zračenju, od okoliša pojedinačnih eksplozija do tragova najranijih magnetskih polja u svemiru.
GRB 260310A prvi je slučaj u kojem je Faradayeva rotacija izmjerena u naknadnom sjaju bljeska gama-zračenja. Ako se slična mjerenja ponove na većem broju događaja, astronomi će moći uspoređivati magnetsku strukturu njihovih mlazova i uvjete u kojima nastaju.