Den 9. oktober 2022 optog det kredsende Swift-observatorium det usædvanligt klare gammastråleudbrud GRB 221009A for første gang.
I løbet af de følgende måneder analyserede forskere over hele verden kilden til gammastrålerne for at finde detaljer om den usædvanlige astronomiske begivenhed og finde dens kilde.
Placeringen af gamma-stråleudbruddet GRB 221009A på baggrund af Mælkevejen. Billede: NASAs Goddard Space Flight Center
Hvad er et gammastråleudbrud?
Gammastråleudbrud (GRB)astrofysikere kalder et kortvarigt udbrud af gammastråling, en strøm af fotoner med en ekstremt kort bølgelængde (mindre end 2⋅10−10 m) og høj energi. Sådanne astronomiske begivenheder repræsenterer frigivelsen af enorme mængder energi og er som regel registreret i fjerne galakser. Et gammastråleudbrud er en af de lyseste begivenheder i universet.
Forskere har opdaget gamma-stråleudbrud relativtfor nylig: i 60'erne af forrige århundrede. I 1963 sendte NASA den militære satellit Vela i kredsløb, udstyret med neutron-, røntgen- og gammastråledetektorer. Han skulle overvåge Sovjetunionens og andre landes overholdelse af traktaten om forbud mod atomprøvesprængninger. Satellittens instrumenter opdagede ikke atomprøvesprængninger, men opdagede ved et uheld udbrud af gammastråling fra det dybe rum.
Forskere skelner mellem to typer gammastråleudbrud,som er forskellige i varighed: kort og lang. Den første kategori omfatter blink, der varer fra et par millisekunder til to sekunder. Det antages, at kilden til en sådan begivenhed er sammensmeltningen af to neutronstjerner med dannelsen af en kilonova eller absorptionen af en neutronstjerne af et sort hul.
Den anden type er lange gammastråleudbrud.De kan vare fra et par sekunder til flere minutter. Hovedhypotesen antyder, at lange udbrud af gammastråler er forbundet med en supernovaeksplosion: det sidste trin i udviklingen af stjerner, hvis masse er 10 eller flere gange større end solen. Men i 2022 rapporterede astrofysikere fra Gemini-observatoriet opdagelsen af en kilonova, dannet efter sammensmeltningen af neutronstjerner, på stedet for det lange gammastråleudbrud GRB 211211A, der blev optaget et år tidligere.
Animeret billede af et langt gamma-stråleudbrud forbundet med sammenbruddet af en massiv stjerne. Animation: NASAs Goddard Space Flight Center
Hvad er usædvanligt ved gamma-stråleudbruddet GRB 221009A?
GRB 221009A's gammastråleudbrud varede mere endfem minutter. Det betyder, at den tilhører lange udbrud og højst sandsynligt er forbundet med sammenbruddet af kernen af en massiv stjerne i et sort hul og en supernovaeksplosion. Overraskende nok har forskere i den tid, der er gået siden den første observation af et gammastråleudbrud, ikke været i stand til at bekræfte dannelsen af en supernova på eksplosionsstedet eller finde en alternativ strålingskilde.
Derudover var plasket så lyst, atblændede de fleste kosmiske gammastråledetektorer, så de ikke direkte kunne fange den faktiske intensitet af strålingen. Forskerne brugte data indsamlet af Fermi Telescope og Cone Gamma Ray Spectrometer til at rekonstruere denne information. Analysen viste, at GRB 221009A var 70 gange lysere end noget andet observeret gammastråleudbrud.
Sammenligning af GRB 221009A og de fire tidligere optagne mest kraftfulde gammastråleudbrud. Billede: NASAs Goddard Space Flight Center og Adam Goldstein (USRA)
Beregninger udført af projektets astrofysikere"Integral" fra European Space Agency (ESA), viser, at mens eksplosionen varede, faldt omkring en gigawatt strøm ned i de øverste lag af Jordens atmosfære. Dette svarer til effekten af et jordkraftværk. Begivenheden var så lys, at selv i dag er den længere bølgelængde efterglød, eftergløden, stadig synlig.
Analyse af en prøve på 7.000GRB'er registreret af Fermi og Cone viser, at sådanne store GRB'er bør forekomme oftere end én gang hvert 10.000 år. "GRB 221009A var sandsynligvis det mest lysende udbrud af røntgen- og gammastråler siden den menneskelige civilisations morgen," sagde Eric Burns, en forsker ved Louisiana State University i Baton Rouge.
Eftergløden af GRB 221009A, fanget af Hubble-teleskopet. Billede: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University); Billedbehandling: Gladys Kober
Hvad har astrofysikere lært?
For bedre at rekonstruere historien om gammastråleudbruddet brugte forskere instrumenter, der detekterer elektromagnetisk stråling ved en række forskellige bølgelængder, fra radiobølger til gammastråler.
De første videnskabelige resultater viser hvordanRøntgenstråler oplyste støvskyer i Mælkevejen, da de spredte sig. Forskerne beregnede, at strålingen rejste gennem det intergalaktiske rum i omkring 1,9 milliarder år, før den kom ind i vores galakse. Det kolliderede med den første støvsky i "udkanten" af Mælkevejen for omkring 60 tusind år siden, og med den sidste - omkring tusind.
Hver gang røntgenbillederne kollideredemed støvskyen spredte de noget af strålingen og skabte koncentriske ringe, der så ud til at udvide sig udad. ESA XMM-Newton Space X-ray Telescope observerede disse ringe i flere dage efter gammastråleudbruddet. Nærliggende skyer dannede de største ringe, simpelthen fordi de ser større ud i perspektiv, forklarer forskerne.
Støvringe fra GRB 221009A observeret af et røntgenteleskop. Billede: ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)
Rejser gennem Mælkevejen, røntgenstrålersekventielt oplyste 20 støvskyer i vores galakse. Strålingsanalyse hjalp med at beregne afstanden til dem og analysere egenskaberne af deres partikler.
Gennem årene har forskere foreslået en rækkeforskellige teorier, der beskriver støvkorns egenskaber. Forskerne overlejrede disse mønstre på de indsamlede data. De fandt ud af, at en model, der antyder, at partiklerne primært består af grafit, en krystallinsk form for kulstof, passer bedst til observationerne.
Mystisk kilde
På trods af den store mængde data indsamletdet forbliver et mysterium, hvad der præcist forårsagede sådan et lysende gammastråleudbrud. Da hovedversionen forbinder lange gammastråleudbrud til en supernovaeksplosion, brugte forskerne James Webb og Hubble rumteleskoperne til at søge efter begyndelsen af en fremtidig tåge. Men ingen af teleskoperne fandt noget på stedet for den påståede eksplosion.
En mulig årsag er detGRB'en dukkede op på en del af himlen, der kun er et par grader over Mælkevejens plan, hvor tykke støvskyer i høj grad kan forplumre det indfaldende lys. Hvis det er tilfældet, vil yderligere observationer måske hjælpe med at finde resterne af supernovaen.
Illustration af hovedkomponenterne i en langgammastråleudbrud, den mest almindelige type. Kernen af en massiv stjerne (til venstre) er kollapset og danner et sort hul, der sender en strøm af partikler, der bevæger sig gennem stjernens materiale ud i rummet med næsten lysets hastighed. Emissioner over hele spektret opstår fra varm ioniseret gas nær det nyfødte sorte hul, kollisioner mellem skaller af hurtigt bevægende gas inde i strålen (indre chokbølger) og fra forkanten af strålen, når den fejer væk og interagerer med dens omgivelser (ydre stød). Billede: NASAs Goddard Space Flight Center
En alternativ hypotese antyder, at stjernenvar så massiv, at den efter den første eksplosion straks dannede et sort hul, som opslugte alt det materiale, der ellers ville danne en gassky.
Astrofysikere fortsætter med at søge efter restereksploderende stjerne. Forskere leder nu efter spor af tunge grundstoffer såsom guld, som menes at være dannet i kraftige eksplosioner i forbindelse med kollapset af kernen af en massiv stjerne.
Forskerne bemærker også, at det er sandsynligtDen usædvanlige kraft af gammastråleudbruddet skyldes det faktum, at den energistråle (jet), der blev udstødt under dannelsen af det sorte hul, blev rettet direkte mod Jorden. At analysere eftergløden og polariseringen af lys fra en sådan eksplosion vil hjælpe med at lære mere om, hvordan jetfly dannes.
Læs mere:
Biologer opdager, hvordan kræftceller undslipper immunsystemet
Nøgleteorien om kvantefysik er endelig blevet bevist. Hoved
Navngivne produkter, der beskytter hjernen mod demens, og hvornår de skal bruges
På omslaget: kunstnerisk illustration af et gammastråleudbrud. Billede: NASA/Swift/Cruz deWilde