Massive stjerner, der dør, eksploderer fanget af hurtigreaktionsteleskoper

I juni 2016 et internationalt hold på 31 astronomer, ledet af University of Marylands Eleanora Troja og herunder Arizona State Universitys Nathaniel Butler, fangede en massiv stjerne, da den døde i en titanisk eksplosion dybt inde i rummet.

Den døende stjernes eksplosion frigav på omkring 40 sekunder lige så meget energi, som Solen frigiver i hele sin levetid, alle fokuseret i en stram stråle af gammastråler rettet ved en tilfældighed mod Jorden.

Holdets resultater, rapporteret i det videnskabelige tidsskrift Natur , give stærkt bevis for en af ​​to konkurrerende modeller for, hvordan gammastråler (GRB'er) producerer deres energi.

"Dette er de lyseste eksplosioner i universet, " siger Butler, en lektor i ASU's School of Earth and Space Exploration. "Og vi var i stand til at måle dennes udvikling og forfald næsten fra den første eksplosion."

Hurtige reflekser

Gammastrålingen den 25. juni, 2016, blev opdaget af to NASA-satellitter, der overvåger himlen for sådanne begivenheder, Fermi Gamma-ray Space Telescope og Swift Gamma-Ray Burst Mission.

Satellitobservatorierne opdagede udbrud af gammastråler, identificeret hvor på himlen det kom fra, og sendte sin himmelposition inden for få sekunder til automatiserede teleskoper på jorden.

MASTER-IRC-teleskopet ved Teide-observatoriet på De Kanariske Øer observerede det først, inden for et minut efter satellitmeddelelsen. Teleskopet er en del af Ruslands MASTER-netværk af robotteleskoper ved Teide-observatoriet. Det foretog optiske lysobservationer, mens den indledende fase stadig var aktiv, indsamling af data om mængden af ​​polariseret optisk lys i forhold til det samlede producerede lys.

Efter at solen gik ned over dette anlæg otte en halv time senere, RATIR -kameraet, som ASU er involveret i, begyndte at observere. RATIR står for Reionization And Transients InfraRed camera; det er monteret på et 1,5 meter (60 tommer) robotstyret teleskop placeret på San Pedro Mártir Peak, ved Mexicos National Astronomical Observatory i Baja California. Butler er hovedefterforskeren for det fuldautomatiske kamera.

Butler forklarer, "I bedste fald, det tager et minut eller to for vores teleskop at falde til bursts position. I dette tilfælde, vi måtte vente på, at den kom op over horisonten. Det betyder, at selve gammastråleudbruddet var afsluttet, og vi observerede, hvad der kaldes efterglød. Dette er den falmende eksplosion, da strålingen støder op i det interstellare medium omkring stjernen, der eksploderede."

Han siger, "RATIR-kameraet lader os tage samtidige billeder i seks farver, to optiske og fire nær-infrarøde. I løbet af de seneste fem år, RATIR har afbildet 155 gammastråleudbrud."

Mysterium stråler af energi

Mens gammastråleudbrud har været kendt i omkring halvtreds år, astronomer er stadig for det meste i mørke om, hvordan de bryder ud.

"På trods af en lang historie med observationer, Butler siger, "emissionsmekanismen, der driver gammastrålesprænger, forbliver stort set mystisk."

Gamma-ray bursts detekteres cirka en gang om dagen og er korte, men intens, glimt af gammastråling. De kommer fra alle forskellige retninger på himlen, og de varer fra titusvis af millisekunder til omkring et minut, gør det svært at observere dem i detaljer.

Astronomer mener, at de fleste af disse eksplosioner er forbundet med supernovaer. Disse opstår, når en massiv stjerne når slutningen af ​​sin normale eksistens og blæser op i en kolossal eksplosion. En supernova kaster nogle af stjernens ydre lag af sig, while its core and remaining layers collapse in a few seconds into a neutron star or, in the case of highly massive stars, a black hole.

Continued RATIR observations over weeks following the June 2016 outburst showed that the gamma rays were shot out in a beam about two degrees wide, or roughly four times the apparent size of the Moon. It was sheer chance that Earth happened to lie within the beam.

Beaming effects, Butler says, may result from the spin of the black hole produced after the supernova explosion, as it releases material along its poles.

Magnetic focus

"We think the gamma-ray emission is due to highly energetic electrons, propelled outward like a fireball, " Butler says. Magnetic fields must also be present, tilføjer han, and theories differ as to how the fields are produced and to what extent the flow of magnetic energy outward is important.

A key diagnostic is measuring the radiation's polarization, he explains. Det her, astronomers think, is largely controlled by the strength of the magnetic fields that focus the radiation. Butler says, "Measuring the strength of magnetic fields by their polarization effects can tell us about the mechanisms that accelerate particles such as electrons up to very high energies and cause them to radiate at gamma-ray energies."

In the case of the June 2016 blast, the scientists were able to measure polarization using MASTER within minutes, an unprecedented early discovery. The large amount of polarization the team observed indicates that powerful magnetic fields were confining and directing it. This lends support for the magnetic origin model for gamma-ray bursters.

While gamma-ray bursters have many more mysteries to be unfolded, Butler says, "this is the first strong evidence that the early shocks generated by these bursts are magnetically driven."