Fermi får øje på en supernovas brusende gammastråleudbrud

Den 26. aug. 2020, NASAs Fermi Gamma-ray rumteleskop registrerede en puls af højenergistråling, der havde ræset mod Jorden i næsten halvdelen af ​​universets nuværende alder. varer kun et sekund, det viste sig at være en for rekordbøgerne - det korteste gamma-stråleudbrud (GRB) forårsaget af døden af ​​en massiv stjerne nogensinde set.

GRB'er er de mest magtfulde begivenheder i universet, kan påvises over milliarder af lysår. Astronomer klassificerer dem som lange eller korte baseret på, om begivenheden varer mere eller mindre end to sekunder. De observerer lange udbrud i forbindelse med døden af ​​massive stjerner, mens korte udbrud er blevet knyttet til et andet scenarie.

"Vi vidste allerede, at nogle GRB'er fra massive stjerner kunne registreres som korte GRB'er, men vi troede, at dette skyldtes instrumentelle begrænsninger, " sagde Bin-bin Zhang ved Nanjing University i Kina og University of Nevada, Las Vegas. "Dette udbrud er specielt, fordi det bestemt er en kortvarig GRB, men dens andre egenskaber peger på dens oprindelse fra en kollapsende stjerne. Nu ved vi, at døende stjerner kan producere korte udbrud, også."

Navnet GRB 200826A, efter datoen det skete, udbruddet er emnet for to artikler udgivet i Natur astronomi på mandag, 26. juli. Den første, ledet af Zhang, udforsker gammastråledataene. Sekundet, ledet af Tomás Ahumada, en doktorand ved University of Maryland, College Park og NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, beskriver GRB's falmende multibølgelængde-efterglød og det nye lys fra supernovaeksplosionen, der fulgte.

"Vi synes, at denne begivenhed faktisk var et sus, en der var tæt på slet ikke at ske, " sagde Ahumada. "Alligevel, udbruddet udsendte 14 millioner gange den energi, der blev frigivet af hele Mælkevejsgalaksen over samme tid, hvilket gør den til en af ​​de mest energiske kortvarige GRB'er, der nogensinde er set."

Når en stjerne, der er meget mere massiv end Solen, løber tør for brændstof, dens kerne falder pludselig sammen og danner et sort hul. Mens stoffet hvirvler mod det sorte hul, noget af det undslipper i form af to kraftige jetfly, der skynder sig udad med næsten lysets hastighed i modsatte retninger. Astronomer opdager kun en GRB, når et af disse jetfly tilfældigvis peger næsten direkte mod Jorden.

Hvert jetfly borer gennem stjernen, producerer en puls af gammastråler - den højeste energiform for lys - der kan vare op til minutter. Efter udbruddet, den forstyrrede stjerne udvider sig derefter hurtigt som en supernova.

Korte GRB'er, på den anden side, dannes, når par af kompakte objekter - såsom neutronstjerner, som også dannes under stjernernes kollaps - spiral indad over milliarder af år og støder sammen. Fermi-observationer for nylig hjalp med at vise, at i nærliggende galakser, kæmpe udbrud fra isolerede, supermagnetiserede neutronstjerner udgiver sig også som korte GRB'er.

GRB 200826A var en skarp eksplosion af højenergiemission, der varede kun 0,65 sekunder. Efter at have rejst i evigheder gennem det ekspanderende univers, signalet var strakt ud til omkring et sekund langt, da det blev detekteret af Fermis Gamma-ray Burst Monitor. Begivenheden dukkede også op i instrumenter ombord på NASA's Wind-mission, som kredser om et punkt mellem Jorden og Solen beliggende omkring 930, 000 miles (1,5 millioner kilometer) væk, og Mars Odyssey, som har kredset om den røde planet siden 2001. ESA's (European Space Agency's) INTEGRAL-satellit observerede også eksplosionen.

Alle disse missioner deltager i et GRB-lokaliseringssystem kaldet InterPlanetary Network (IPN), som Fermi-projektet yder al amerikansk finansiering til. Fordi udbruddet når hver detektor på lidt forskellige tidspunkter, et hvilket som helst par af dem kan bruges til at indsnævre, hvor på himlen det fandt sted. Cirka 17 timer efter GRB, IPN indsnævrede sin placering til en relativt lille del af himlen i stjernebilledet Andromeda.

Ved at bruge den National Science Foundation-finansierede Zwicky Transient Facility (ZTF) ved Palomar Observatory, holdet scannede himlen for ændringer i synligt lys, der kunne være forbundet med GRB's falmende efterglød.

"At udføre denne søgning svarer til at prøve at finde en nål i en høstak, men IPN hjælper med at krympe høstakken, " sagde Shreya Anand, en kandidatstuderende på Caltech og en medforfatter på afterglow-papiret. "Ud af mere end 28, 000 ZTF-advarsler den første nat, kun én opfyldte alle vores søgekriterier og dukkede også op inden for himmelregionen defineret af IPN."

Inden for en dag efter eksplosionen, NASAs Neil Gehrels Swift Observatory opdagede falmende røntgenstråling fra samme sted. Et par dage senere, variabel radioemission blev detekteret af National Radio Astronomy Observatorys Karl Jansky Very Large Array i New Mexico. Holdet begyndte derefter at observere eftergløden med en række jordbaserede faciliteter.

Observerer den svage galakse forbundet med eksplosionen ved hjælp af Gran Telescopio Canarias, et 10,4 meter teleskop ved Roque de los Muchachos-observatoriet på La Palma på Spaniens Kanariske Øer, holdet viste, at dets lys tager 6,6 milliarder år at nå os. Det er 48 % af universets nuværende alder på 13,8 milliarder år.

Men for at bevise, at dette korte udbrud kom fra en kollapsende stjerne, forskerne skulle også fange den nye supernova.

"Hvis udbruddet var forårsaget af en kollapsende stjerne, så når eftergløden forsvinder, skulle den lyse igen på grund af den underliggende supernovaeksplosion, " sagde Leo Singer, en Goddard-astrofysiker og Ahumadas forskningsrådgiver. "Men på disse afstande, du har brug for et meget stort og meget følsomt teleskop for at udvælge lyspunktet fra supernovaen fra baggrundsblændingen fra dens værtsgalakse."

For at gennemføre eftersøgningen, Singer fik tid på det 8,1 meter lange Gemini North-teleskop på Hawaii og brugen af ​​et følsomt instrument kaldet Gemini Multi-Object Spectrograph. Astronomerne afbildede værtsgalaksen i rødt og infrarødt lys, der startede 28 dage efter eksplosionen, gentagelse af søgningen 45 og 80 dage efter hændelsen. De opdagede en nær-infrarød kilde - supernovaen - i det første sæt observationer, som ikke kunne ses i senere.

Forskerne formoder, at dette udbrud blev drevet af jetfly, der knap kom frem fra stjernen, før de lukkede ned, i stedet for det mere typiske tilfælde, hvor langtidsholdbare jetfly bryder ud af stjernen og rejser betydelige afstande fra den. Hvis det sorte hul havde affyret svagere jetfly, eller hvis stjernen var meget større, da den begyndte at kollapse, der har måske slet ikke været en GRB.

Opdagelsen hjælper med at løse et mangeårigt puslespil. Mens lange GRB'er skal kobles til supernovaer, astronomer opdager et langt større antal supernovaer, end de gør lange GRB'er. Denne uoverensstemmelse fortsætter, selv efter at have taget højde for det faktum, at GRB-jetfly skal vælte næsten ind i vores synsfelt, for at astronomer overhovedet kan opdage dem.

Forskerne konkluderer, at kollapsende stjerner, der producerer korte GRB'er, må være marginale tilfælde, hvis lyshastighedsstråler vipper på randen af ​​succes eller fiasko. en konklusion i overensstemmelse med forestillingen om, at de fleste massive stjerner dør uden at producere jetfly og GRB'er overhovedet. Mere bredt, dette resultat viser tydeligt, at et udbruds varighed alene ikke entydigt indikerer dets oprindelse.