Astronomer finder signatur af magnetiske udbrud i nærliggende galakser

Bortset fra sorte huller, magnetarer kan være de mest ekstreme stjerner i universet. Med en diameter mindre end længden af ​​Manhattan, de pakker mere masse end vores sols, udøve det største magnetfelt af et kendt objekt - mere end 10 billioner gange stærkere end en køleskabsmagnet - og snurre om deres akser med få sekunders mellemrum.

En type neutronstjerne - resten af ​​en supernovaeksplosion - magnetarer er så stærkt magnetiserede, at selv beskedne forstyrrelser i magnetfeltet kan forårsage udbrud af røntgenstråler, der varer sporadisk i uger eller måneder.

Disse eksotiske, kompakte stjerner menes også at være kilden til nogle typer af korte gammastråleudbrud (GRB'er):lyse glimt af meget energisk stråling, der har undret astronomer, siden de først blev opdaget i 1970'erne. Flere af disse gigantiske magnetudbrud er blevet opdaget i Mælkevejsgalaksen. Men fordi de er så intense, at de mætter detektorer, og observationer i galaksen er skjult af støv, rumforsker Kevin Hurley ved University of California, Berkeley, og et internationalt hold af astronomer har ledt efter de samme udbrud i galakser uden for vores egen for at få et klarere overblik.

Den 45-årige indsats giver pote. Et kort gammastråleudbrud, der blev opdaget den 15. april sidste år fra en galakse 11,4 millioner lysår væk, viser en klar signatur, som Hurley mener kunne hjælpe astronomer med lettere at finde magnetarudbrud og endelig indsamle de nødvendige data for at kontrollere de mange teorier, der forklarer magnetarer og deres gammastråler. blusser.

"Vi har, hvad vi tror, ​​er fire solide detektioner siden 1979 af ekstragalaktiske gigantiske magnetudbrud, to af dem næsten identiske udbrud fra forskellige galakser, " sagde Hurley, en senior rumfartsstipendiat ved UC Berkeley's Space Sciences Laboratory. "Det får os til at tro, at der kan være en slags skabelon, som vil hjælpe os med at identificere dem hurtigere i fremtiden. Mit håb er, at tempoet nu vil accelerere, fordi vi ved meget bedre, hvad vi leder efter. "

Hurley og tre kolleger vil rapportere GRB-opdagelsen fra forskellige amerikanske og europæiske satellitter og dens implikationer på en mediebriefing onsdag, 13. januar, på det årlige møde i American Astronomical Society og i tre artikler, der vises samtidigt i tidsskrifterne Natur og Natur astronomi .

Kæmpe magnetar brister

GRB'er, de kraftigste eksplosioner i kosmos, kan detekteres over milliarder af lysår. De fleste af dem varer mindre end omkring to sekunder, kaldet korte GRB'er, opstår, når et par kredsende neutronstjerner spiraler ind i hinanden og smelter sammen. Astronomer bekræftede dette scenarie for mindst nogle korte GRB'er i 2017, da et udbrud fulgte ankomsten af ​​gravitationsbølger - krusninger i rum-tid - frembragt, da neutronstjerner smeltede sammen 130 millioner lysår væk.

Men ikke alle korte GRB'er passer til neutronstjernefusionsprofilen, sagde Hurley. Specifikt, af de 29 magnetarer i vores Mælkevejsgalakse kendt for at udvise lejlighedsvis røntgenaktivitet, to har produceret gigantiske flares, der er forskellige fra udbruddene fra disse fusioner.

Den seneste af disse opdagelser var den 27. december, 2004, en begivenhed, der frembragte målbare ændringer i Jordens øvre atmosfære, trods udbrud fra en magnetar placeret omkring 28, 000 lysår væk.

Siden slutningen af ​​1970'erne, Hurley har drevet InterPlanetary Network (IPN), en 24/7 indsats for at gennempløje data fra mange rumfartøjer - i øjeblikket fem, fanger omkring 325 gamma-udbrud om året - i håb om at finde flere gigantiske magnetblus. Det netværk var nøglen til at fange den 15. april, 2020, blusse.

Kort før 4:42 EDT den onsdag, en kort, kraftigt udbrud af røntgen- og gammastråler fejede forbi Mars, udløser den russiske højenergi-neutrondetektor ombord på NASAs Mars Odyssey-rumfartøj, som har kredset om planeten siden 2001. Cirka 6,6 minutter senere, udbruddet udløste det russiske Konus-instrument ombord på NASAs Wind-satellit, som kredser om et punkt mellem Jorden og Solen beliggende omkring 930, 000 miles (1,5 millioner kilometer) væk. Efter yderligere 4,5 sekunder, strålingen passerede Jorden, udløser instrumenter på NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope og European Space Agency's INTEGRAL satellit.

Analyse af data fra Burst Alert Telescope (BAT) på NASAs Neil Gehrels Swift Observatory gav yderligere indsigt i begivenheden.

Disse data viste, at strålingens puls varede kun 140 millisekunder, et blink med øjet.

Hurley og Dmitry Svinkin fra Ruslands Ioffe Institut, et medlem af IPN-teamet, brugte ankomsttiderne målt af Fermi, Hurtig, Vind, Mars Odyssey og INTEGRAL-missioner for at udpege placeringen af ​​eksplosionen den 15. april, kaldet GRB 200415A, lige i den centrale region af NGC 253, en lys spiralgalakse beliggende omkring 11,4 millioner lysår væk i stjernebilledet Sculptor. Dette er den mest præcise himmelposition, der endnu er bestemt for en magnetar placeret ud over den store magellanske sky, en satellit af vores galakse og vært i 1979 for den første kæmpe flare nogensinde opdaget.

"Dette var den mest nøjagtigt lokaliserede magnetar uden for vores galakse hidtil, og vi har virkelig sat det fast nu, ikke kun til en galakse, men en del af en galakse, hvor vi forventer stjernedannelse er i gang, og stjerner eksploderer. Det er der supernovaerne skulle være og magnetarerne, også, " Sagde Hurley. "Begivenheden den 15. april er en game changer."

Blink fra et fyrtårn

De gigantiske udbrud, der ses i Mælkevejen, ser lidt anderledes ud end dem fra nærliggende galakser på grund af afstanden. Astronomer har dokumenteret, at gigantiske udbrud fra magnetarer i Mælkevejen og dens satellitter udvikler sig på en særskilt måde, med en hurtig stigning til maksimal lysstyrke efterfulgt af en mere gradvis hale af fluktuerende emission. Disse variationer skyldes magnetarens rotation, som gentagne gange bringer flarestedet ind og ud af syne fra Jorden, meget som et fyrtårn.

At observere denne fluktuerende hale er afgørende bevis på et kæmpe blus - en rygende pistol, sagde Hurley. For magnetarudbrud millioner af lysår væk, imidlertid, denne emission er for svag til at detektere med nutidens instrumenter. Af denne grund, gigantiske udbrud i vores galaktiske kvarter kan forveksles med mere fjerntliggende og kraftfulde GRB'er af fusionstypen.

De nye observationer afslører flere impulser, med den første, der dukkede op på kun 77 mikrosekunder - omkring 13 gange hastigheden af ​​en kameraflash og næsten 100 gange hurtigere end stigningen i de hurtigste GRB'er, der produceres ved fusioner.

"Kombinationen af ​​stigetid og henfaldstid, vi tænker, viser os muligvis en skabelon, fordi vi har set det før - vi så det tilbage i 2005, med en anden begivenhed, næsten karbonkopien. Og energispektret af de to var også ens, " sagde Hurley.

Fermis Gamma-ray Burst Monitor registrerede også hurtige variationer i energi i løbet af opblussen, som aldrig er blevet observeret før.

"Kæmpeudbrud i vores galakse er så geniale, at de overvælder vores instrumenter, lader dem hænge fast i deres hemmeligheder, " sagde Oliver Roberts, en associeret videnskabsmand ved Universities Space Research Association's Science and Technology Institute i Huntsville, Alabama, der ledede undersøgelsen af ​​Fermi-data. "For første gang, GRB 200415A og fjerntliggende udbrud som det giver vores instrumenter mulighed for at fange alle funktioner og udforske disse kraftfulde udbrud i uovertruffen dybde."

Stjerneskælv og genforbindelse af magnetfelt

Kæmpeblus er dårligt forstået, men astronomer tror, ​​at de skyldes en pludselig omlejring af magnetarens magnetfelt. En mulighed er, at feltet højt over overfladen kan blive for snoet, pludselig frigiver energi, efterhånden som den sætter sig i en mere stabil konfiguration. Et mekanisk svigt af magnetarens skorpe - et stjerneskælv - kan udløse den pludselige omkonfiguration.

"Ideen er, at du har dette superstærke magnetfelt, der kommer ud af stjernen, men forankret til skorpen, og magnetfeltet kan vrides, udøver pres på skorpen. Skorpen har en elastisk grænse, og efter at du overskrider den elastiske grænse, det revner. Derefter, den revne sender bølger ud i magnetfeltet, og de bølger forstyrrer feltet, og du kan få genforbindelse og energifrigivelse og gammastråler, " sagde Hurley.

Roberts og hans kolleger siger, at dataene viser nogle tegn på seismiske vibrationer under udbruddet. Forskerne siger, at denne emission opstod fra en sky af udstødte elektroner og positroner, der bevægede sig med omkring 99% af lysets hastighed. Den korte varighed af emissionen og dens skiftende lysstyrke og energi afspejler magnetarens rotation, ramper op og ned som forlygterne på en bil, der laver et sving. Roberts beskriver det som en start som en uigennemsigtig klat - han forestiller sig, at den ligner en fotontorpedo fra "Star Trek"-serien - der udvider sig og diffunderer, mens den rejser.

Torpedoen indgår også i en af ​​begivenhedens største overraskelser. De røntgenstråler med den højeste energi, der er registreret af Gamma-Burst Monitor, nåede 3 millioner elektronvolt (MeV), eller omkring 1 million gange energien af ​​blåt lys. Satellittens hovedinstrument, Large Area Telescope (LAT), detekterede også tre gammastråler med energier på 480 MeV, 1,3 milliarder elektronvolt (GeV) og 1,7 GeV – det højeste energilys, der nogensinde er blevet opdaget fra en magnetisk gigantisk flare. Hvad der er overraskende er, at alle disse gammastråler dukkede op længe efter, at opblussen var blevet mindre i andre instrumenter.

Nicola Omodei, seniorforsker ved Stanford University, ledede LAT-teamet, der undersøgte disse gammastråler, som ankom mellem 19 sekunder og 4,7 minutter efter hovedbegivenheden. Forskerne konkluderede, at dette signal højst sandsynligt også kom fra den magnetiske flare.

En magnetar producerer en konstant udstrømning af hurtigt bevægende partikler. Når disse partikler bevæger sig gennem rummet, de pløjer i, langsom og aflede interstellar gas. Gassen hober sig op, bliver opvarmet og komprimeret, og danner en type stødbølge kaldet et buechok, som krusningerne foran en båd i bevægelse.

I modellen foreslået af LAT-teamet, blussets første puls af gammastråler bevæger sig udad med lysets hastighed, efterfulgt af skyen af ​​udstødt stof, som bevæger sig næsten lige så hurtigt. Efter flere dage, de når begge buestødet. Gammastrålerne passerer igennem. Sekunder senere, skyen af ​​partikler - nu udvidet til et stort, tynd skal - kolliderer med ophobet gas ved bovstødet. Denne interaktion skaber chokbølger, der accelererer partikler, producerer de højeste energiske gammastråler efter hovedudbruddet.

Opblussen den 15. april beviser, at begivenhederne i 2020 og 2004 udgør deres egen klasse af GRB'er, sagde Hurley.

"Nogle få procent af korte GRB'er kan virkelig være magnetiske gigantiske flares, " sagde Eric Burns, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Louisiana State University i Baton Rouge, der ledede en undersøgelse, der identificerede yderligere ekstragalaktiske magnetarmistænkte. "Faktisk, de kan være de mest almindelige højenergiudbrud, vi har opdaget så langt ud over vores galakse - omkring fem gange hyppigere end supernovaer."

Mens udbrud nær galaksen M81 i 2005 og Andromeda-galaksen (M31) i 2007 allerede var blevet foreslået at være gigantiske udbrud, hans hold identificerede et nyligt rapporteret udbrud i M83, også set i 2007. Læg hertil det gigantiske blus fra 1979 og dem, der blev observeret i vores Mælkevej i 1998 og 2004.

"Det er en lille prøve, men vi har nu en bedre idé om deres sande energier, og hvor langt vi kan opdage dem, " sagde Burns, hvis undersøgelse vil blive vist senere i år i The Astrophysical Journal Letters .