Udholdende radiorebound drevet af jetfly fra gammastråleudbrud

I løbet af et øjeblik, en massiv stjerne mere end 2 milliarder lysår væk tabte en million år lang kamp mod tyngdekraften og kollapsede, udløser en supernova og danner et sort hul i dets centrum.

Dette nyfødte sorte hul bøvsede et flygtigt, men alligevel forbløffende intenst glimt af gammastråler kendt som et gammastråleudbrud (GRB) mod Jorden, hvor det blev opdaget af NASAs Neil Gehrels Swift Observatory den 19. december 2016.

Mens gammastrålerne fra udbruddet forsvandt ud af syne få syv sekunder senere, længere bølgelængder af lys fra eksplosionen - inklusive røntgen, synligt lys, og radio - fortsatte med at skinne i ugevis. Dette gjorde det muligt for astronomer at studere eftervirkningerne af denne fantastisk energiske begivenhed, kendt som GRB 161219B, med mange jordbaserede observatorier, herunder National Science Foundations Very Large Array.

De unikke egenskaber i Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), imidlertid, satte et hold af astronomer i stand til at lave en udvidet undersøgelse af denne eksplosion ved millimeterbølgelængder, at få ny indsigt i netop denne GRB og størrelsen og sammensætningen af ​​dens kraftige jetfly.

"Da ALMA ser i millimeter-bølgelængde lys, som indeholder information om, hvordan strålerne interagerer med det omgivende støv og gas, det er en kraftig undersøgelse af disse voldsomme kosmiske eksplosioner, " sagde Tanmoy Laskar, en astronom ved University of California, Berkeley, og en Jansky Postdoc Fellow fra National Radio Astronomy Observatory. Laskar er hovedforfatter af undersøgelsen, som fremgår af Astrofysisk tidsskrift .

Disse observationer gjorde det muligt for astronomerne at producere ALMAs første time-lapse-film nogensinde af en kosmisk eksplosion, som afslørede en overraskende langvarig omvendt chokbølge fra eksplosionen, der ekkoede tilbage gennem jetflyene. "Med vores nuværende forståelse af GRB'er, vi ville normalt forvente, at et omvendt stød kun vare et par sekunder. Denne varede en god del af en hel dag, " sagde Laskar.

Et omvendt stød opstår, når materiale, der sprænges væk fra en GRB af dens stråler, løber ind i den omgivende gas. Dette møde bremser det undslippende materiale, sender en chokbølge tilbage ned i jetflyet.

Da jetfly ikke forventes at vare mere end et par sekunder, et omvendt stød bør være en lige så kortvarig begivenhed. Men det ser nu ikke ud til at være tilfældet.

"I årtier, astronomer troede, at dette omvendte stød ville frembringe et stærkt glimt af synligt lys, som hidtil har været rigtig svær at finde på trods af nøje søgninger. Vores ALMA-observationer viser, at vi måske har ledt det forkerte sted, og at millimeterobservationer er vores bedste håb om at fange dette kosmiske fyrværkeri, " sagde Carole Mundell fra University of Bath, og medforfatter til undersøgelsen.

I stedet, lyset fra det omvendte stød skinner klarest ved millimeterbølgelængderne på tidsskalaer på omkring en dag, hvilket højst sandsynligt er grunden til, at det tidligere har været så svært at opdage. Mens det tidlige millimeterlys blev skabt af det omvendte stød, røntgenstrålen og det synlige lys kom fra eksplosionsbølgechokket, der kørte foran jetflyet.

"Hvad var unikt ved denne begivenhed, " tilføjer Laskar, "er det, da det omvendte stød kom ind i jetflyet, det overførte langsomt men kontinuerligt jetsens energi til den fremadgående eksplosionsbølge, hvilket får røntgenstrålen og det synlige lys til at falme meget langsommere end forventet. Astronomer har altid undret sig over, hvor denne ekstra energi i eksplosionsbølgen kommer fra. Tak til ALMA, vi ved, at denne energi - op til 85 procent af den samlede mængde i tilfælde af GRB 161219B - er skjult i langsomt bevægende materiale i selve jetflyet."

Den lyse omvendte stødemission forsvandt i løbet af en uge. Sprængbølgen skinnede så igennem i millimeterbåndet, giver ALMA en chance for at studere jetflyets geometri.

Det synlige lys fra eksplosionsbølgen på dette kritiske tidspunkt, når udstrømningen er aftaget lige nok til at hele jetflyet bliver synligt på Jorden, blev overskygget af den nye supernova fra den eksploderede stjerne. Men ALMAs observationer, uhindret af supernovalys, gjorde det muligt for astronomerne at begrænse åbningsvinklen for udstrømningen fra strålen til omkring 13 grader.

At forstå formen og varigheden af ​​udstrømningen fra stjernen er afgørende for at bestemme den sande energi af udbruddet. I dette tilfælde, astronomerne finder, at strålerne indeholdt lige så meget energi, som vores sol udsender på en milliard år.

"Dette er en fantastisk mængde energi, men det er faktisk en af ​​de mindst energiske begivenheder, vi nogensinde har set. Hvorfor det er sådan forbliver et mysterium, " siger Kate Alexander, en kandidatstuderende ved Harvard University, der ledede VLA-observationerne rapporteret i denne undersøgelse. "Selvom mere end to milliarder lysår væk, denne GRB er faktisk den nærmeste begivenhed, for hvilken vi har målt de detaljerede egenskaber for udstrømningen, takket være den kombinerede kraft fra ALMA og VLA."

VLA, som observerer ved længere bølgelængder, fortsatte med at observere radioemissionen fra det omvendte stød, efter at det forsvandt fra ALMAs syn.

Dette er kun det fjerde gammastråleudbrud med en overbevisende, multi-frequency detection of a reverse shock, konstaterer forskerne. The material around the collapsing star was about 3, 000 times less dense than the average density of gas in our galaxy, and these new ALMA observations suggest that such low-density environments are essential for producing reverse shock emission, which may explain why such signatures are so rare.

"Our rapid-response observations highlight the key role ALMA can play in following up transients, revealing the energy source that powers them, and using them to map the physics of the universe to the dawn of the first stars, " concludes Laskar. "In particular, our study demonstrates that ALMA's superb sensitivity and new rapid-response capabilities makes it the only facility that can routinely detect reverse shocks, allowing us to probe the nature of the relativistic jets in these energetic transients, and the engines that launch and feed them."