NASAs Fermi, Hurtige missioner muliggør en ny æra inden for gammastrålevidenskab

Et par fjerne eksplosioner opdaget af NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope og Neil Gehrels Swift Observatory har produceret det højeste energilys, der hidtil er set fra disse begivenheder, kaldet gammastråleudbrud (GRB'er). Registrering af rekordindstilling, lavet af to forskellige jordbaserede observatorier, give ny indsigt i de mekanismer, der driver gammastråleudbrud.

Astronomer genkendte første gang GRB-fænomenet for 46 år siden. Sprængningerne dukker op på tilfældige steder på himlen cirka en gang om dagen, gennemsnitlig.

Den mest almindelige type GRB opstår, når en stjerne, der er meget mere massiv end Solen, løber tør for brændstof. Dens kerne kollapser og danner et sort hul, som derefter blæser stråler af partikler udad med næsten lysets hastighed. Disse jetfly gennemborer stjernen og fortsætter ud i rummet. De producerer en indledende puls af gammastråler - den mest energiske form for lys - der typisk varer omkring et minut.

Mens jetflyene kører udad, de interagerer med omgivende gas og udsender lys over hele spektret, fra radio til gammastråler. Disse såkaldte eftergløder kan detekteres op til måneder – og sjældent, endda år - efter udbruddet ved længere bølgelængder.

"Meget af det, vi har lært om GRB'er i løbet af de sidste par årtier, er kommet fra at observere deres efterlys ved lavere energier, " sagde Elizabeth Hays, Fermi-projektets videnskabsmand ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Nu, takket være disse nye jordbaserede detektioner, vi ser gammastrålerne fra gammastråleudbrud på en helt ny måde."

To artikler publiceret i tidsskriftet Natur beskriv hver af opdagelserne. Et tredje papir analyserer et af udbruddene ved hjælp af et rigt sæt multibølgelængdedata fra observatorier i rummet og på jorden. Et fjerde papir, accepteret af The Astrofysisk tidsskrift , udforsker Fermi- og Swift-dataene mere detaljeret.

Den 14. januar, 2019, lige før kl. EST, både Fermi- og Swift-satellitterne opdagede en spids af gammastråler fra stjernebilledet Fornax. Missionerne advarede det astronomiske samfund om placeringen af ​​eksplosionen, døbt GRB 190114C.

En facilitet, der modtog alarmerne, var Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) observatoriet, beliggende på La Palma på De Kanariske Øer, Spanien. Begge dets 17-meter teleskoper vendte automatisk til stedet for det falmende udbrud. De begyndte at observere GRB'en kun 50 sekunder efter, at den blev opdaget og fangede de mest energiske gammastråler endnu set fra disse begivenheder.

Energien af ​​synligt lys varierer fra omkring 2 til 3 elektronvolt. I 2013 Fermis Large Area Telescope (LAT) detekterede lys, der nåede en energi på 95 milliarder elektronvolt (GeV), så det højeste set fra et udbrud. Dette falder lige for 100 GeV, tærsklen for såkaldt meget højenergi (VHE) gammastråler. Med GRB 190114C, MAGIC blev den første facilitet til at rapportere utvetydig VHE-emission, med energier op til en trillion elektronvolt (1 TeV). Det er 10 gange den maksimale energi, Fermi har set til dato.

"For tyve år siden, vi designet MAGIC specifikt til at søge efter VHE-emission fra GRB'er, så dette er en enorm succes for vores team, " sagde medforfatter Razmik Mirzoyan, en videnskabsmand ved Max Planck Instituttet for Fysik i München og talsmanden for MAGIC-samarbejdet. "Opdagelsen af ​​TeV gammastråler fra GRB 190114C viser, at disse eksplosioner er endnu kraftigere end tidligere antaget. Endnu vigtigere, vores opdagelse lettede en omfattende opfølgningskampagne, der involverede mere end to dusin observatorier, giver vigtige spor til de fysiske processer på arbejde i GRB'er."

Disse omfattede NASAs NuSTAR-mission, Den Europæiske Rumorganisations XMM-Newton røntgensatellit, NASA/ESA Hubble-rumteleskopet, ud over Fermi og Swift, sammen med mange jordbaserede observatorier. Hubble-billeder erhvervet i februar og marts fangede udbruddets optiske efterglød. De viser, at eksplosionen opstod i en spiralgalakse omkring 4,5 milliarder lysår væk. Det betyder, at lyset fra denne GRB begyndte at rejse til os, da universet var to tredjedele af dets nuværende alder.

Det tredje papir præsenterer observationer af et andet udbrud, som Fermi og Swift begge opdagede den 20. juli, 2018. Ti timer efter deres alarmer, High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) pegede på sit store, 28-meter gamma-stråle teleskop til placeringen af ​​eksplosionen, kaldet GRB 180720B. En omhyggelig analyse udført i ugerne efter begivenheden afslørede, at H.E.S.S. klart detekterede VHE gammastråler med energier op til 440 GeV. Endnu mere bemærkelsesværdigt, gløden fortsatte i to timer efter observationens start. At fange denne emission så længe efter GRB's påvisning er både en overraskelse og en vigtig ny opdagelse.

Forskere har mistanke om, at de fleste gammastråler fra GRB-efterglød stammer fra magnetiske felter ved jetflyets forkant. Højenergielektroner, der spiraler i felterne, udsender direkte gammastråler gennem en mekanisme kaldet synkrotronemission.

Men både H.E.S.S. og MAGIC-teams fortolker VHE-emissionen som en særskilt efterglødende komponent, hvilket betyder, at en yderligere proces skal være på arbejde. Den bedste kandidat, de siger, er omvendt Compton-spredning. Højenergielektroner i jetflyet styrter ind i gammastråler med lavere energi og øger dem til meget højere energier.

I papiret, der beskriver Fermi- og Swift-observationerne, forskerne konkluderer, at en yderligere fysisk mekanisme faktisk kan være nødvendig for at producere VHE-emissionen. Inden for de lavere energier observeret af disse missioner, imidlertid, oversvømmelsen af ​​synkrotron-gamma-stråler gør det meget vanskeligere at afdække en anden proces.

"Med Fermi og Swift, vi ser ikke direkte beviser for en anden emissionskomponent, " sagde Goddards S. Bradley Cenko, hovedefterforskeren for Swift og en medforfatter af Fermi-Swift og multiwavelength papirer. "Imidlertid, hvis VHE-emissionen stammer fra synkrotronprocessen alene, så vil de grundlæggende antagelser, der bruges til at estimere den maksimale energi, der produceres af denne mekanisme, skulle revideres."

Fremtidige burst-observationer vil være nødvendige for at tydeliggøre det fysiske billede. De nye VHE-data åbner en ny vej til forståelse af GRB'er, en, der vil blive yderligere udvidet af MAGIC, H.E.S.S. og en ny generation af jordbaserede gamma-stråleteleskoper, der nu planlægges.