Noget stort eksploderede i en galakse langt, langt væk - hvad var det?

22.49 vest australsk tid den 2. februar i år, kosmiske gammastråler ramte NASA-satellitten, Hurtig, kredser om Jorden.

Inden for sekunder efter detektionen, en advarsel blev automatisk sendt til University of WA's Zadko Telescope. Det gik over i robothandling, tager billeder af himlens placering i stjernebilledet Ophiuchus.

Hvad dukkede op af mørket, hvor intet var set før, var en hurtigt lysende "optisk transient", som er noget synligt på himlen i en kort periode.

Begivenheden, kaldet GRB170202, var et meget energisk gammastråleudbrud (GRB). Efter mindre end et minut, gammastrålerne slukkede, og GRB'en dukkede op som et lysende og derefter falmende optisk beacon.

Zadko-teleskopet registrerede hele udviklingen af ​​det optiske udbrud. Under sit største udbrud, GRB170202 svarede i lysstyrke til millioner af stjerner, der skinnede sammen fra samme sted.

Cirka 9 timer 42 minutter efter GRB, Very Large Telescope i Chile erhvervede lysspektret fra den optiske efterglød.

Dette gjorde det muligt at måle en afstand til udbruddet:omkring 12 milliarder lysår. Universet har udvidet sig til fire gange større end dengang, 12 milliarder år siden, den tid det tog lyset at nå Jorden.

GRB170202 var så langt væk, selv dens værtsgalakse var ikke synlig, bare mørke. Fordi GRB var en forbigående, aldrig at ses igen, det er som at tænde et lys i et mørkt rum (værtsgalaksen) og forsøge at registrere detaljerne i rummet, før lyset går ud.

Mysteriet om gammastråleudbrud

Glimtet af gammastråling og efterfølgende optisk transient er den afslørende signatur på et sort huls fødsel fra en stjernes katastrofale kollaps.

Sådanne begivenheder er sjældne og kræver nogle særlige omstændigheder, herunder en meget massiv stjerne op til snesevis af solmasser (massen af ​​vores sol), der roterer hurtigt med et stærkt magnetfelt.

Disse ingredienser er afgørende for at affyre to jetfly, der slår gennem den kollapsende stjerne for at frembringe gammastråleudbruddet (se animation)

Den nærmeste analog (og bedre forstået transient) til en GRB er en supernovaeksplosion fra en kollapsende stjerne. Faktisk, nogle relativt nærliggende GRB'er afslører bevis på en energisk supernova forbundet med begivenheden.

Simuleringer viser, at de fleste kollapsende stjerner ikke har nok energi til at producere en GRB-jet, et såkaldt "failure to launch"-scenarie. Både observation og teori viser, at GRB'er er ekstremt sjældne sammenlignet med forekomsten af ​​supernovaer.

Stjernerne, der producerer GRB'er, fødes og dør inden for nogle titusinder til hundredtusinder af år, i modsætning til vores sol, som har eksisteret i milliarder af år.

Dette skyldes, at meget massive stjerner udtømmer deres brændstof meget hurtigt, og gennemgår voldsomt gravitationssammenbrud, der fører til et sort hul, på tidsskalaen sekunder.

Et væld af sorte huller

Hastighederne for sort huldannelse i hele universet kan udledes af GRB-hastigheden. Baseret på den observerede GRB-rate, der må være tusindvis af sorte huls fødsler, der finder sted hver dag i hele universet.

Så hvad er skæbnen for disse kosmiske monstre? De fleste vil lure i deres værtsgalakser, lejlighedsvis fortærer stjerner og planeter.

Andre vil være i en gravitationsdødsdans med andre sorte huller, indtil de smelter sammen til et enkelt sort hul med et udbrud af gravitationsbølger (GW'er), såsom den første opdagelse af en sådan begivenhed af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

En ny æra

Ved grænsen til at forstå sorte huls dannelse er søgen efter en speciel slags GRB, der markerer sammensmeltningen (kollision) af to neutronstjerner.

Såkaldte "korte GRB'er" er glimt af gammastråling, der varer mindre end et sekund og kan være den "rygende pistol" for neutronstjernefusioner.

Vigtigt, fusionerende neutronstjerner bør detekteres fra deres gravitationsstråling af LIGO. Derfor, en sammenfaldende påvisning i gammastråler, optiske og gravitationsbølger er en reel mulighed.

Dette ville være en monumental opdagelse, der tillader hidtil uset indsigt i fysikken bag dannelsen af ​​sorte hul. Revolutionen er som at lytte til radio på en 1920'er-modtager og derefter se en moderne high definition surround sound-film.

Fremtidige udfordringer

I betragtning af ovenstående hastighed på tusindvis af sorte huller, der skabes om dagen, det ser ud til, at sammenfaldende påvisning af GRB'er og gravitationsbølger er en no brainer.

Men i virkeligheden skal vi tage højde for den begrænsede følsomhed af alle teleskoper (og detektorer). Dette reducerer den potentielle observationsrate til nogle tiere om året. Dette er højt nok til at inspirere en global kamp for at søge efter de første sammenfaldende gravitationsbølgekilder med elektromagnetiske modstykker.

Opgaven er ekstremt vanskelig, fordi gravitationsbølgeobservatorierne ikke kan lokalisere kildens placering særlig godt. For at imødegå dette, en strategi med at søge efter sammenfaldende gravitationsbølger og elektromagnetiske detektioner i tide kan være det bedste bud.

Det nyligt finansierede ARC Center of Excellence OzGrav mission er at forstå den ekstreme fysik af sorte huller.

Et af målene er at søge efter optisk, radio- og højenergi-modstykker falder sammen med gravitationsbølger fra skabelsen af ​​sorte hul. Australien er klar til at spille en væsentlig rolle i denne nye æra af "multi-messenger astronomi".

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.