Fermi-missionen afslører sine gammastråleudbrud med højeste energi

I 10 år, NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope har scannet himlen for gamma-ray bursts (GRB'er), universets mest lysende eksplosioner. Et nyt katalog over eksplosioner med den højeste energi giver videnskabsfolk frisk indsigt i, hvordan de fungerer.

"Hvert udbrud er på en eller anden måde unikt, sagde Magnus Axelsson, en astrofysiker ved Stockholms Universitet i Sverige. "Det er kun, når vi kan studere store prøver, som i dette katalog, at vi begynder at forstå de fælles træk ved GRB'er. Disse giver os igen ledetråde til de fysiske mekanismer på arbejde."

Kataloget blev offentliggjort i den 13. juni-udgave af The Astrophysical Journal og er nu tilgængelig online. Mere end 120 forfattere bidrog til papiret, ledet af Axelsson, Elisabetta Bissaldi ved National Institute of Nuclear Physics and Polytechnic University i Bari, Italien, og Nicola Omodei og Giacomo Vianello ved Stanford University i Californien.

GRB'er udsender gammastråler, den højeste energiform for lys. De fleste GRB'er opstår, når nogle typer af massive stjerner løber tør for brændstof og kollapser for at skabe nye sorte huller. Andre sker, når to neutronstjerner, supertætte rester af stjerneeksplosioner, fusionere. Begge slags katastrofale hændelser skaber stråler af partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Gammastrålerne produceres ved kollisioner af hurtigt bevægende materiale inde i strålerne, og når strålerne interagerer med miljøet omkring stjernen.

Astronomer kan skelne de to GRB-klasser ud fra varigheden af ​​deres gammastråler med lavere energi. Korte udbrud fra neutronstjernefusioner varer mindre end 2 sekunder, mens lange udbrud typisk fortsætter i et minut eller mere. Det nye katalog, som omfatter 17 korte og 169 lange udbrud, beskriver 186 begivenheder set af Fermis Large Area Telescope (LAT) over de sidste 10 år.

Fermi observerer disse kraftige udbrud ved hjælp af to instrumenter. LAT ser omkring en femtedel af himlen til enhver tid og registrerer gammastråler med energier over 30 millioner elektronvolt (MeV) - millioner af gange energien fra synligt lys. Gamma-ray Burst Monitor (GBM) ser hele himlen, der ikke er blokeret af Jorden, og registrerer lavere energiudledning. Alt i alt, GBM har fundet mere end 2, 300 GRB indtil videre.

Nedenfor er et eksempel på fem rekordsættende og spændende begivenheder fra LAT-kataloget, der har hjulpet videnskabsmænd med at lære mere om GRB'er.

1. GRB 081102B

Det korte udbrud 081102B, som fandt sted i stjernebilledet Boötes den 2. nov. 2008, er den korteste LAT-detekterede GRB, varer kun en tiendedel af et sekund. Selvom dette udbrud dukkede op i Fermis første år med observationer, det var ikke inkluderet i en tidligere version af samlingen udgivet i 2013.

"Det første LAT-katalog identificerede kun 35 GRB'er, " sagde Bissaldi. "Takket være forbedrede dataanalyseteknikker, vi var i stand til at bekræfte nogle af de marginale observationer i den prøve, samt identificere fem gange så mange udbrud for det nye katalog."

2. GRB 160623A

Langvarig udbrud 160623A, set den 23. juni, 2016, i stjernebilledet Cygnus, blev ved med at skinne i næsten 10 timer ved LAT-energier - det længste udbrud i kataloget. Men ved de lavere energier registreret af Fermis GBM-instrument, det blev registreret i kun 107 sekunder. Denne markante forskel mellem instrumenterne bekræfter en tendens antydet i det første LAT-katalog. Til både lange og korte udbrud, højenergi-gamma-emissionen varer længere end lavenergi-emissionen og sker senere.

3. GRB 130427A

Den individuelle gammastråle med højeste energi, der blev detekteret af Fermis LAT, nåede 94 milliarder elektronvolt (GeV) og rejste 3,8 milliarder lysår fra stjernebilledet Løven. Det blev udsendt af 130427A, som også har rekorden for flest gammastråler - 17 - med energier over 10 GeV.

En populær model foreslog, at ladede partikler i jetflyet, bevæger sig med næsten lysets hastighed, støder på en chokbølge og skifter pludselig retning, udsender gammastråler som følge heraf. Men denne model kan ikke tage højde for det rekordindstillede lys fra denne burst, tvinger videnskabsmænd til at gentænke deres teorier.

De oprindelige resultater på 130427A viser, at LAT-instrumentet sporede sin emission i dobbelt så lang tid som angivet i kataloget. På grund af den store stikprøvestørrelse, holdet vedtog den samme standardiserede analyse for alle GRB'er, hvilket resulterer i lidt anderledes tal end rapporteret i den tidligere undersøgelse.

4. GRB 080916C

Den længst kendte GRB fandt sted 12,2 milliarder lysår væk i stjernebilledet Carina. Ringet 080916C, forskere beregner eksplosionen indeholdt styrken af ​​9, 000 supernovaer.

Teleskoper kan observere GRB'er ud til disse store afstande, fordi de er så lyse, men det er svært at udpege deres nøjagtige afstand. Afstande er kun kendt for 34 af de 186 begivenheder i det nye katalog.

5. GRB 090510

Den kendte afstand til 090510 hjalp med at teste Einsteins teori om, at rumtidens struktur er glat og kontinuerlig. Fermi opdagede både en højenergi- og en lavenergigammastråle på næsten samme øjeblik. Efter at have rejst den samme afstand på samme tid, de viste, at alt lys, uanset dens energi, bevæger sig med samme hastighed gennem rummets vakuum.

"Den samlede gammastråleemission fra 090510 varede mindre end 3 minutter, alligevel tillod det os at undersøge dette meget grundlæggende spørgsmål om fysikken i vores kosmos, " sagde Omodei. "GRB'er er virkelig en af ​​de mest spektakulære astronomiske begivenheder, vi er vidne til."

Hvad mangler der?

GRB 170817A markerede første gang lys og krusninger i rum-tid, kaldet gravitationsbølger, blev detekteret fra sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner. Begivenheden blev fanget af Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), Jomfru-interferometeret og Fermis GBM-instrument, men det blev ikke observeret af LAT, fordi instrumentet blev slukket, da rumfartøjet passerede gennem et område af Fermis kredsløb, hvor partikelaktiviteten er høj.

"Nu hvor LIGO og Jomfruen har begyndt endnu en observationsperiode, astrofysiksamfundet vil være på udkig efter flere fælles GRB- og gravitationsbølgebegivenheder," sagde Judy Racusin, en medforfatter og Fermi stedfortrædende projektforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Dette katalog var en monumental teamindsats, og resultatet hjælper os med at lære om befolkningen i disse begivenheder og forbereder os til at dykke ned i fremtidige banebrydende fund."

Fermi Gamma-ray Space Telescope er et partnerskab for astrofysik og partikelfysik, der administreres af NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Fermi er udviklet i samarbejde med det amerikanske energiministerium, med vigtige bidrag fra akademiske institutioner og partnere i Frankrig, Tyskland, Italien, Japan, Sverige og USA.