Eksepsjonelt gammaglimt smadret alle rekorder og “grillet” Jorden!
09.11.22: Søndag 9. oktober kl. 15.17 nådde strålingen Jorden fra den suverent mest ekstreme kosmiske eksplosjonen som er registrert gjennom mer enn 30 år med systematiske observasjoner av gammaglimt. Omtrent alt som finnes av rekorder ble knust av hendelsen som fant sted 2,4 milliarder lysår unna oss. Jordatmosfæren ble kraftig påvirket, og det oppsto elektriske strømmer på bakken! Forbløffede astronomer over hele verden studerer objektet som kan gi oss helt ny innsikt i Universets mest spektakulære fenomener – en tilsvarende hendelse skal statistisk kun skje med rundt 520 års intervaller!
Oppdatering 09.04.23: Nye analyser viser at et utbrudd som dette skjer med rundt 10 000 års intervaller. Dette gammaglimtet er derfor trolig det sterkeste i menneskehetens historie!
av Knut Jørgen Røed Ødegaard
Gammaglimtobservatoriet Swift tok dette bildet i røntgenstråling rundt en time etter at gammaglimtet ble oppdaget 9. oktober. De lyse ringene skyldes røntgenstråler som er spredt av ellers usynlige støvlag som befinner seg i vår galakse og i retning utbruddet. Den mørke, vertikale linjen skyldes fotosystemet.
Foto: NASA/Swift/A. Beardmore (University of Leicester)
Fenomenet som startet på ettermiddagen 9. oktober var så ekstremt og sjeldent at forskere kastet seg rundt og benyttet det meste som finnes av teleskop både på bakken og i rommet for å studere utviklingen. Eksplosjonen fant sted 2,4 milliarder lysår unna oss (24 000 ganger Melkeveiens diameter), og det betyr at lyset ble sendt ut mens Jorden var under halvparten så gammel som den er nå. Statistisk ser det ut til at en så voldsom eksplosjon såpass «nær» oss skjer med intervaller på rundt 520 år – mao er det bare 10 % sjanse for at noe slikt skulle inntreffe i den 50 år lange perioden vi har kjent fenomenet gammaglimt!
Fem dager etter eksplosjonen ble dette bildet tatt med det 8,1 meter store teleskopet Gemini South i Chile. Posisjonen til objektet er vist med to streker.
Foto: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/B. O'Connor (UMD/GWU) & J. Rastinejad & W Fong (Northwestern Univ)
Bildebehandling: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF’s NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF’s NOIRLab)
Det 8,1 meter store Gemini South-teleskopet befinner seg inne i den store kuppelen.
Foto: Pris par Denys /Wikipedia
Men for å forstå hvorfor gammaglimtet 9. oktober var så epokegjørende, må vi se litt nærmere på hva gammaglimt er, samt årsaken til disse:
1–2 ganger i døgnet registrerer instrumenter i bane rundt Jorden svært energirik elektromagnetisk stråling, såkalt gammastråling, fra kilder som befinner seg flere milliarder lysår fra Jorden. Fenomenet ble oppdaget på slutten av 1960-tallet, og i mange år var gammaglimtene blant de aller største astronomiske mysteriene. Men fra 1997 ble det klart at årsaken ofte er at en spesiell type stjerner eksploderer – såkalte Wolf-Rayet-stjerner. Disse svært hete og lyssterke stjernene har mistet sine ytre lag av hydrogen og helium slik at kjernen bestående av karbon og oksygen produsert gjennom kjernereaksjoner, har blitt avdekket.
Slike stjerner kan være dannet med stor masse (mer enn rundt 60 ganger Solens) og eksploderer etter et kort, hektisk og energirikt liv. Mens Solen kommer til å leve i totalt 12 milliarder år, har de tyngste stjernene kommet i en kritisk og høyeksplosiv fase allerede etter knapt 3 millioner år.
Men Wolf-Rayet-stjerner dannes trolig vel så ofte i tette dobbeltstjernesystem der den ene stjernen stjeler gass fra den andre. Rask rotasjon eller en superkompakt ledsager – en nøytronstjerne eller et sort hull – kan være involvert i andre tilfeller.
Men uansett dannelsesårsak, ender Wolf-Rayet-stjerner ofte sine liv i noen av Universets mest intense og energirike eksplosjoner kalt hypernovaer eller supernovaer av type Ic-bl og hvor mesteparten av energien sendes ut som strålebunter i to retninger.
De sterkeste gammaglimtene kan i noen sekunder sende ut mer energi enn resten av det observerbare Universet til sammen. På to sekunder sender fenomenet ofte ut mer energi enn Solen klarer i løpet av sin totale levetid på 10 milliarder år!
Kunstnerisk fremstilling av et gammaglimt som oppstår i et stjernedannelsesområde med mange masserike stjerner. Mesteparten av energien blir sendt ut som to jetstråler.
Illustrasjon: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones
Dersom en av disse strålebuntene tilfeldigvis peker mot oss, vil vi observere et gammaglimt når strålingen når frem – gjerne etter flere milliarder år, og det var nettopp dette som skjedde kl. 15.17 søndag 9. oktober. Gammaglimtet, som har fått betegnelsen GRB221009A, ble først registrert av Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST, skutt opp i 2008) som er et samarbeid mellom NASA og flere europeiske land. Først en times tid senere reagerte gammaglimtjegeren Swift, som automatisk alarmerte forskere og observatorier over hele verden. Fra sin bane rundt Jorden har Swift siden 2004 observert gammaglimt i ulike deler av spektret og sendt umiddelbare meldinger til et internasjonalt gammaglimtnettverk.
Slik forårsaker jetstrålene fra gammaglimt at enorme mengder energi blir sendt ut som ulike typer elektromagnetisk stråling. Jetstrålene beveger seg først med svært nær lysets hastighet (gjerne 99,9999 % av lyshastigheten), men bremses opp av gass som befinner seg i rommet rundt den eksploderende stjernen. Under oppbremsingen sendes enorme energimengder ut som blant annet svært energirik gammastråling.
Illustrasjon: NASA/Goddard Space Flight Center/ICRAR.
Det har vist seg å være minst to hovedtyper gammaglimt:
De «langvarige» gammaglimtene varer flere titalls sekunder. Disse skyldes som beskrevet over at Universets mest masserike stjerner dør i en hypernova-eksplosjon og samtidig danner et sort hull. Det aller meste av energien i selve eksplosjonen blir sendt ut i to jetstråler som peker i hver sin retning.
De «kortvarige» gammaglimtene varer mindre enn to sekunder, men er ofte over på bare noen tidels sekunder. Denne typen gammaglimt oppstår når kompakte stjernerester, slik som nøytronstjerner, smelter sammen. Disse gammaglimtene sender ut gammastråler med enda høyere energi («hardere» stråling) enn de langvarige gammaglimtene. I august 2017 ble det for første gang observert at to nøytronstjerner smeltet sammen og forårsaket et kortvarig gammaglimt.
Noen få gammaglimt har vart i flere timer, og det er derfor foreslått å innføre en egen kategori for disse såkalte ultralangvarige gammaglimtene som kan ha en annen forklaring enn de førstnevnte typene. Muligens skyldes disse en blå superkjempe som kollapser eller en stjerne som kommer for nær og rives i filler av et sort hull eller en nydannet magnetar.
Uansett mekanismen bak et gammaglimt, signaliserer det som regel dannelsen av et sort hull – det betyr at det også ble dannet et sort hull på ettermiddagen 9. oktober, eller rettere nådde informasjonen om dannelsen frem til oss etter å ha vært underveis i 2,4 milliarder år!
Slik oppstår kortvarige gammaglimt når nøytronstjerner smelter sammen.
Film: NASA
9. oktober: Voldsomste eksplosjon som er observert
Den første meldingen om at noe helt ekstraordinært hadde skjedd i rommet kom med et varsel sendt ut til et internasjonalt gammaglimt-nettverk søndag 9. oktober kl. 16.39.22 norsk tid. Varselet var basert på observasjoner gjort med det automatiske og rombaserte gammaglimtobservatoriet Swift.
I snart 20 år har Swift-observatoriet gjort svært viktige observasjoner av Universets voldsomste eksplosjoner.
Illustrasjon: NASA E/PO, Sonoma State University/Aurore Simonnet
Det viste seg etter hvert at alle andre observatorier i rommet som er i stand til å observere gammaglimt, også hadde registrert dette utbruddet, men energimengdene var så ekstreme at forskerne først trodde at det dreide seg om et fenomen i vår egen Melkeveigalakse, altså enormt mye nærmere enn kilden etter hvert skulle vise seg å være!
Bekreftelsen på at det faktisk var snakk om et gammaglimt kom først kl. 22.44, altså etter mer enn 6 timer, og da viste det seg også at utbruddet hadde startet allerede kl. 15.16.59.99 (!) norsk tid målt med Fermi-observatoriet.
Alt med dette fenomenet var så ekstremt og langt utenfor det som tidligere har blitt observert at forskerne ble både lamslåtte og perplekse. Det har siden blitt omtalt som «BOAT» - «brightest of all time»!
I tillegg hadde gammaglimtet helt spesielle egenskaper: Det var to utbrudd, først et med varighet rundt 10 sekunder og med så høy fotonenergi at det først ble betraktet som et kortvarig gammaglimt. Rundt tre minutter senere kom hovedutbruddet som varte 327 sekunder og inneholdt flere pulser, blant annet to pulser som hver varte rundt 80 sekunder.
Selv etter hovedutbruddet ble det observert gammastråling, og Fermis Large Area Telescope registrerte gammaglimtet i mer enn 10 timer! Dette skyldtes en kombinasjon av ekstrem energi i eksplosjonen og at avstanden (2,4 milliarder lysår) i denne sammenhengen er relativt liten. Det ser derfor ut til at dette unike gammaglimtet har egenskaper fra både kortvarige, langvarige og ultralangvarige gammaglimt!
Fenomenet ble observert i alle bølgelengdeområder: gammastråler, røntgen, ultrafiolett, synlig lys, infrarødt og radio.
Bildesekvens fra Fermi Large Area Telescope viser himmelen observert i gammastråler og sentrert på GRB221009A. Gammastråler med energi over 100 MeV er vist, og lysere farger indikerer sterkere signal. Til sammen vises over 10 timer med observasjoner. Gløden fra vår egen galakse ses som et skrått bånd. Bildet er omtrent 20 grader bredt.
Foto: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
Bilder tatt i synlig lys med Swifts Ultraviolet/Optical Telescope viser hvordan ettergløden fra GRB 221009A (i sirkelen) avtok i styrke i løpet av 10 timer. Bredden på bildet er omtrent 4 bueminutter
Foto: NASA/Swift/B. Cenko
Nær rekordartet totalenergi
Studier av ettergløden forteller at eksplosjonen fant sted på kosmologisk rødforskyvning z=0,151, som svarer til nevnte avstand på ca. 2,4 milliarder lysår. Dersom utstrålingen hadde vært lik i alle retninger, ville totalenergien til eksplosjonen vært omtrent 5,9 * 1047 Joule, eller en energimengde Solen ville brukt 50 billioner år på å stråle ut med nåværende lysstyrke (Solens totale levealder blir kun litt over 10 milliarder år). Etter formelen E=mc2 tilsvarer energimengden også at 3,3 solmasser ble gjort om til energi! Denne såkalte isotrope energien var blant de aller høyeste som er registrert for gammaglimt. De eneste gammaglimtene som har kunnet nærme seg denne energimengden, har hatt mye større avstand og derfor vært langt svakere sett fra Jorden. I virkeligheten ble det aller meste av energien sendt ut i to intense og kompakte strålebunter, så totalenergien var ikke fullt så ekstrem.
Alle aktive observatorier målte GRB221009A til å være det sterkeste gammaglimtet registrert i deres observasjonsperiode.
Ettergløden fra gammaglimt avtar med tiden når strålebuntene bremses og utvider seg, og etter hvert kan den tiltagende lysstyrken til supernovaen (eller rettere hypernovaen) som sprengte stjernen, komme til syne.
22. oktober ble det meldt at spektret fra fenomenet begynte å vise de karakteristiske trekkene til en supernova av type Ic-BL, og denne supernovaen fikk betegnelsen SN 2022xiw.
Bredden på strålingskjeglene som sendes fra polområdene på de eksploderende objektene i langvarige gammaglimt er generelt estimert å være 2–20 grader brede. I tilfellet med GRB221009A er bredden målt å være ca. 7 grader.
Ny fysikk, nye partikler, løsning på gåten med mørk materie?
I tillegg til at gammaglimtet hadde nær rekordstor totalenergi, ekstrem varighet, ekstrem intensitet og ekstrem oppførsel underveis i utbruddet, hadde en del fotoner den høyeste energien noen gang målt fra et gammaglimt, og for første gang ble det observert fotoner med energi over 10 TeV fra et gammaglimt. Det kinesiske instrumentet LHAASO-KM2A målte fotoenergier på opptil 18 TeV fra GRB221009A. Dette er rundt fire ganger høyere energi enn tidligere observert fra et gammaglimt.
Så høye fotonenergier skal ikke være mulig fra så fjerne kilder, og mange forskere mener årsaken ligger i ny fysikk og nye og hittil uoppdagede typer partikler, f.eks. masserike nøytrinoer eller aksioner. Siden mange mistenker at slike partikler kan finnes i store antall, kan de forklare den mystiske mørke materien som utgjør over 25 % av Universets sammensetning og som betraktes som vår tids største astrofysiske gåte.
Fenomenet ble observert i det lille stjernebildet Sagitta (Pilen) kl. 15.17 norsk tid. På denne tiden av året kan vi på kveldstid se stjernebildet på sydvesthimmelen fra Norge. Dette stjernebildet er himmelens 3. minste i utstrekning og inneholder ingen lyssterke stjerner, men Sagitta befinner seg like under det langt større og mer tydelige stjernebildet Cygnus (Svanen). Tilfeldigvis er det i dette stjernebildet oppdaget en stor ansamling med stjerner som kan eksplodere som hypernovaer og utløse gammaglimt i løpet av noen hundre tusen år.
Illustrasjon. Sannes & Ødegaard
Jordens atmosfære ble påvirket!
Selv om kilden til dette gammaglimtet var 2,4 milliarder lysår unna oss, var utstrålingen så ekstrem at den øvre delen av jordatmosfæren ble påvirket og forårsaket en såkalt SID (Sudden Ionosphere Disturbance – plutselig ionosfæreforstyrrelse). Dette er et fenomen som oppstår i forbindelse med utbrudd på Solen, men som også tidligere har vært observert ved noen få svært kraftige gammaglimt. Årsaken til en SID er at den energirike elektromagnetiske strålingen (røntgen- og gammastråling) ioniserer atomene i den øvre delen av atmosfæren og endrer hvordan radiobølger kan spre seg mellom bakken og ionosfæren.
Disse målingene av VLF-radiosignaler viser ganske kraftige utslag under gammaglimtet 9. oktober. Årsaken er at den energirike strålingen ioniserte atomene i den øvre delen av atmosfæren.
Illustrasjon og målinger: Paul Nicholson / abelian.org
Flere forskergrupper har forsøkt å estimere hvor ofte vi kan forvente å observere gammaglimt med styrken til GRB221009A så «nær» som 2,4 milliarder lysår.
Volumet, og derfor sjansen for at et så kraftig utbrudd skal finne sted, øker sterkt (med tredje potens) med avstanden. Statistikken viser at et fenomen som GRB221009A trolig forekommer med intervaller på i gjennomsnitt fra 130 til 520 år. Det høyeste tallet er basert på moderne beregninger av hyppigheten av gammaglimt, og er trolig det beste anslaget.
Dette betyr også at sjansen for et så kraftig gammaglimt som GRB221009A innenfor den 50 år lange perioden som har gått siden oppdagelsen, kun er rundt 10 %. GRB221009A gir oss derfor en virkelig unik mulighet for å observere de aller mest ekstreme gammaglimtene og å følge utviklingen i detalj. Dette kan allerede ha medført observasjoner som gjør at teoriene for denne typen gammaglimt ikke bare må revideres, men faktisk endres!
Ekstreme energimengder peker mot ny forklaring
De siste 10 årene har det vært flere utbrudd som har vært svært energirike (men som har vært på mye større avstand og derfor ikke har vært like imponerende sett fra Jorden), og hatt andre egenskaper som har utfordret gjeldende teori om at utbruddet skyldes kollapsen til én stjerne. En ny og mer komplisert teori har blitt utviklet for å forklare denne typen eksplosjoner, og teorien involverer en Wolf-Rayet-stjerne (WR-stjerne – en karbon-oksygen-kjerne fra en opprinnelig langt mer masserik stjerne) som går i en svært tett bane rundt en nøytronstjerne eller et sort hull. Den nye teorien har gradvis blitt forbedret for å forklare alle observerbare detaljer ved gammaglimtene, og røntgensignaturen til GRB221009A avslører at dette trolig er rett forklaring.
Ekstremutbruddet 9. oktober ser ut til å passe perfekt med den nye teorien, og på grunn av den relativt korte avstanden og usedvanlig grundige observasjoner, kan dette bli det endelige beviset for at i hvert fall en del langvarige gammaglimt oppstår i tette dobbeltstjernesystemer.
GRB221009A ser ut til å ligne på minst tre andre velobserverte gammaglimt (som har oppstått på større avstand), blant annet GRB270413a.
Den nye teorien kalles Binary driven hypernova (BdHN) og oppsummeres i denne fagartikkelen.
En slik sammensmeltning må ikke forveksles med sammensmeltningen mellom to nøytronstjerner som forårsaker de kortvarige gammaglimtene. I tilfellene der en WR-stjerne er involvert, oppstår samtidig en hypernova (derav ovennevnte betegnelse), og fenomenet arter seg på en annen måte enn med kortvarige gammaglimt (som knyttes til de langt svakere kilonovaene).
Ragnaroket som skal utløse et BdHN-gammaglimt starter med at kjernen til WR-stjernen begynner å kollapse. Dette skjer når stjernen har gjennomgått en rekke sykluser med kjernereaksjoner og dannet en kjerne av jern. Jernkjernen kollapser og danner en ny nøytronstjerne i kjernen av det som skal bli en supernova. En sjokkbølge med stor energi (i størrelsesorden 1044 Joule) oppstår og beveger seg utover gjennom resten av WR-stjernen og blåser av de ytre lagene (alt utenfor kjernen som nå har blitt en nydannet nøytronstjerne). Deler av det avblåste materialet blir tiltrukket av den ledsagende (opprinnelige!) nøytronstjernen og samtidig faller noe gass tilbake på den nydannede nøytronstjernen.
BdHN av type I
Hva som skjer videre avhenger av den opprinnelige tilstanden til stjerneparet. Dersom omløpstiden opprinnelig var kortere enn omtrent 5 minutter, vil den opprinnelige nøytronstjernen klare å trekke til seg så mye masse at den overstiger maksimal («kritisk») masse for nøytronstjerner (se nedenfor) og kollapser til et sort hull! Ekstreme energimengder blir frigjort gjennom hele denne prosessen, og eksplosjonene som oppstår på denne måten kalles BdHN av type I.
Resultatet av hele prosessen er derfor et par bestående av en nydannet nøytronstjerne og et nydannet sort hull (opprinnelig nøytronstjerne).
BdHN av type II
Dersom omløpstiden opprinnelig var lenger enn ca. 5 minutter, klarer ikke den opprinnelige nøytronstjernen å trekke til seg nok masse til å nå den kritiske massen og vil fortsette å være en nøytronstjerne, men da en nøytronstjerne med relativt stor masse. Også denne prosessen frigjør store energimengder, og eksplosjonen som oppstår kalles BdHN av type II. Resultatet er et stjernepar bestående av to nøytronstjerner – en som er nydannet og en som fantes opprinnelig, men som har fått større masse.
BdHN av type III
Dersom omløpstiden er svært lang, klarer den opprinnelige nøytronstjernen bare å trekke til seg beskjedne mengder med masse, og kun hypernovaen (fra WR-eksplosjonen) observeres. Denne undertypen eksplosjoner kalles BdHN av type III, og resultatet blir to «normale» nøytronstjerner.
BdHN av type IV
Det funnes også en mulighet til – et par opprinnelig bestående av en WR-stjerne og et sort hull (ikke nøytronstjerne). Sluttresultatet i dette tilfellet er en ny nøytronstjerne og et mer masserikt sort hull. Eksplosjonen kalles BdHN av type IV.
Type I ser ut til å forekomme klart hyppigst, etterfulgt av type II og III. Type IV forekommer svært sjelden – en undersøkelse basert på gammaglimt observert frem til 2016 tyder på at av minst 385 gammaglimt, var kun 5 av type IV, men disse er til gjengjeld de klart mest energirike.
Før eksplosjonen starter, er typisk avstand mellom de to objektene 200 000 km dersom WR-stjernen har 25 solmasser, nøytronstjernen 1,5 solmasser og omløpstiden er 5 minutter. Med en normal størrelse på WR-stjernen betyr dette at nøytronstjernen nærmest sirkler inne i stjernen!
Observasjonene som til nå er gjort av GRB221009A tyder på at det enten er snakk om en BdHN av type I eller IV. Fortsatte analyser vil kunne skille mellom disse.
Kunstnerisk fremstilling av nøytronstjerne omgitt av akkresjonsskive. De ekstreme tyngdekreftene fra nøytronstjernen forvrenger lyset i den innerste delen mens store mengder stråling sendes ut fra polområdene.
Illustrasjon: Raphael.concorde / Wikipedia
I denne modellen hentes en stor del av energien til gammaglimtet fra rotasjonsenergien til det nydannede sorte hullet som spinner ekstremt raskt. Denne energien «hentes» ut ved hjelp av magnetfeltet fra den kollapsede nøytronstjernen og akselerasjon av partikler til store energier. Utstrålingen er ikke kontinuerlig, men energien sendes ut i pulser, akkurat som observert med GRB221009A.
Forsiden
