Gammastråleudbrud:Høst viden fra universets mest kraftfulde eksplosioner

De mest kraftfulde begivenheder i det kendte univers - gammastråleudbrud (GRB'er) - er kortvarige udbrud af lys med højeste energi. De kan bryde ud med en kvintillion (en 10 efterfulgt af 18 nuller) gange vores sols lysstyrke. Nu tænkte at annoncere fødslen af ​​nye sorte huller, blev de opdaget ved et uheld.

Baghistorien fører os til 1963, hvor det amerikanske luftvåben opsendte Vela-satellitterne for at detektere gammastråler fra forbudte atomvåbenforsøg. USA havde netop underskrevet en traktat med Storbritannien og Sovjetunionen om at forbyde test i Jordens atmosfære, og Vela-satellitterne sikrede alle parters overholdelse. I stedet faldt satellitterne over 16 gammastrålebegivenheder.

I 1973 kunne videnskabsmænd udelukke, at både Jorden og solen var kilderne til disse strålende udbrud. Det var da astronomer ved Los Alamos National Laboratory offentliggjorde det første papir, der bekendtgjorde, at disse udbrud stammer fra vores solsystem.

Forskere ved NASAs Goddard Space Flight Center bekræftede hurtigt resultaterne gennem en røntgendetektor på IMP 6-satellitten. Det ville tage yderligere to årtier og bidrag fra den italienske rumfartsorganisations BeppoSax og NASAs Compton Gamma-Ray Observatory at vise, at disse udbrud forekommer langt ud over vores Mælkevejsgalakse, er jævnt fordelt over himlen og er ekstraordinært kraftige. Den nærmeste GRB, der er registreret, fandt sted mere end 100 millioner lysår væk.

Selvom de er opdaget ved et tilfælde, har GRB'er vist sig at være uvurderlige for nutidens forskere. Disse lysglimt er rige på indsigt i fænomener som afslutningen på meget massive stjerner eller dannelsen af ​​sorte huller i fjerne galakser.

Alligevel er der masser af videnskabelige perler tilbage at opdage. I 2017 blev GRB'er først forbundet med gravitationsbølger - krusninger i rum-tidens struktur - og styrede os mod en bedre forståelse af, hvordan disse begivenheder fungerer.

De lange og korte af GRB'er

Astronomer opdeler GRB'er i to hovedklasser:korte (hvor det første udbrud af gammastråler varer mindre end to sekunder) og lange begivenheder (der varer to sekunder eller længere).

Kortere udbrud producerer også færre gammastråler generelt, hvilket får forskere til at antage, at de to klasser stammer fra forskellige progenitorsystemer.

Astronomer forbinder nu korte udbrud med kollisionen af ​​enten to neutronstjerner eller en neutronstjerne og et sort hul, hvilket resulterer i et sort hul og en kortvarig eksplosion. Korte GRB'er efterfølges nogle gange af kilonovaer, lys produceret af radioaktivt henfald af kemiske elementer. Det forfald genererer endnu tungere elementer, såsom guld, sølv og platin.

Lange udbrud er forbundet med massive stjerners eksplosive dødsfald. Når en højmassestjerne løber tør for atombrændsel, kollapser dens kerne og springer derefter tilbage, hvilket driver en chokbølge udad gennem stjernen. Astronomer ser denne eksplosion som en supernova. Kernen kan danne enten en neutronstjerne eller et sort hul.

I begge klasser stråler det nyfødte sorte hul jetfly i modsatte retninger. Strålerne, der er lavet af partikler, der accelereres til nær lysets hastighed, trænger igennem og interagerer til sidst med det omgivende materiale og udsender gammastråler, når de gør det.

Denne store oversigt er dog ikke det sidste ord. Jo mere GRBs-astronomer studerer, jo mere sandsynligt vil de støde på begivenheder, der udfordrer de nuværende klassifikationer.

I august 2020 sporede NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope et andet langt udbrud ved navn GRB 200826A, mere end 6 milliarder lysår væk. Det burde være faldet inden for kort-burst-klassen, udløst af sammenlægninger af kompakte objekter.

Men andre karakteristika ved denne begivenhed - som supernovaen, den skabte - antydede, at den stammede fra sammenbruddet af en massiv stjerne. Astronomer tror, ​​at dette udbrud kan være udløbet, før det kunne nå den varighed, der er typisk for lange udbrud.

Fermi og NASAs Neil Gehrels Swift Observatory fangede dets modsatte nummer, GRB 211211A i december 2021. Beliggende en milliard lysår væk, varede udbruddet i omkring et minut. Selvom dette gør det til en lang GRB, blev den efterfulgt af en kilonova, hvilket tyder på, at den blev udløst af en fusion. Nogle forskere tilskriver dette udbruds mærkværdigheder til en neutronstjerne, der smelter sammen med en sort hul-partner.

Efterhånden som astronomer opdager flere udbrud, der varer flere timer, kan der stadig være en ny klasse på vej:Ultralange GRB'er. Den energi, der skabes af en højmassestjernes død, kan sandsynligvis ikke holde til et udbrud så længe, ​​så videnskabsmænd må se på forskellige oprindelser.

Nogle tror, ​​at ultralange udbrud opstår fra nyfødte magnetarer - neutronstjerner med hurtige rotationshastigheder og magnetiske felter, der er tusind gange stærkere end gennemsnittet. Andre siger, at denne nye klasse kræver kraften fra universets største stjernebeboere, blå supergiganter. Forskere fortsætter med at udforske ultralange GRB'er.

Efterlys, der kaster nyt lys

Mens gammastråler er den mest energiske form for lys, er de bestemt ikke de nemmeste at få øje på. Vores øjne ser kun et smalt bånd af det elektromagnetiske spektrum. At studere lys uden for dette område, som gammastråler, afhænger tæt af de instrumenter, som vores forskere og ingeniører udvikler. Dette behov for teknologi, sammen med GRB'ers allerede flygtige natur, gjorde udbrud sværere at studere i de første år.

GRB-eftergløder opstår, når materiale i dyserne interagerer med omgivende gas.

Eftergløder udsender radio-, infrarød-, optisk-, UV-, røntgen- og gammastrålelys, som giver flere data om det originale udbrud. Efterglød bliver også hængende i timer til dage (eller endda år) længere end deres oprindelige eksplosion, hvilket skaber flere muligheder for opdagelse.

At studere efterlys blev nøglen til at udlede drivkræfterne bag forskellige udbrud. I lange udbrud, når eftergløden dæmpes, ser forskerne til sidst kilden blive lysere igen, efterhånden som den underliggende supernova bliver sporbar.

Selvom lys er universets hurtigste rejsende, kan det ikke nå os med det samme. På det tidspunkt, hvor vi opdager et udbrud, kan der være gået millioner til milliarder af år, hvilket giver os mulighed for at undersøge noget af det tidlige univers gennem fjerne efterlys.

Sprækket af opdagelse

På trods af den omfattende forskning, der er udført indtil nu, er vores forståelse af GRB'er langt fra fuldstændig. Hver ny opdagelse føjer nye facetter til videnskabsmænds gammastråleudbrudsmodeller.

Fermi og Swift opdagede en af ​​disse revolutionerende begivenheder i 2022 med GRB 221009A, et udbrud så lyst, at det midlertidigt blændede de fleste rumbaserede gammastråleinstrumenter. En GRB af denne størrelsesorden forventes at forekomme en gang hvert 10.000 år, hvilket gør det sandsynligvis den højeste lysstyrkebegivenhed, som den menneskelige civilisation har set. Astronomer kaldte den derfor som den mest lysstærke nogensinde – eller BÅDEN.

Dette er et af de nærmeste lange udbrud, der nogensinde er set på dets opdagelsestidspunkt, og giver forskerne et nærmere kig på den indre funktion af ikke kun GRB'er, men også strukturen af ​​Mælkevejen. Ved at kigge ind i BÅDEN har de opdaget radiobølger, der mangler i andre modeller og sporet røntgenreflektioner for at kortlægge vores galakses skjulte støvskyer.

GRB'er forbinder os også med en af ​​universets mest eftertragtede budbringere. Gravitationsbølger er usynlige forvrængninger af rum-tid, født af katastrofale begivenheder som neutronstjernekollisioner. Tænk på rumtid som universets altomfattende tæppe, med gravitationsbølger som krusninger, der svæver gennem materialet.

I 2017 opdagede Fermi gammastrålen fra en neutronstjerne-fusion kun 1,7 sekunder efter, at gravitationsbølger blev detekteret fra den samme kilde. Efter at have rejst 130 millioner lysår nåede gravitationsbølgerne Jorden snævert før gammastrålerne, hvilket beviser, at gravitationsbølgerne rejser med lysets hastighed.

Forskere havde aldrig opdaget lys og gravitationsbølgers fælles rejse hele vejen til Jorden. Disse budbringere tilsammen tegner et mere levende billede af fusionerende neutronstjerner.

Med fortsat forskning kan vores stadigt udviklende viden om GRB'er optrevle det usete stof i vores univers. Men selve udbruddet er kun toppen af ​​isbjerget. En endeløs mængde af information rager lige under overfladen, klar til høsten.

Leveret af NASA