19.11.23: Det siste året har to helt eksepsjonelle eksplosjoner i kosmos endret vår forståelse av en rekke astrofysiske og fysiske fenomener: 9. oktober i fjor inntraff en 10 000-års-eksplosjon – et gammaglimt med opphav 2,4 milliarder lysår unna oss. 7. mars i år inntraff det nest sterkeste gammaglimtet som har vært observert. Dette var av en annen type enn fjorårets og dermed det suverent sterkeste observerte gammaglimtet som skyldes sammensmeltninger mellom kompakte objekter. Fenomenet gir oss helt unik innsikt i merkelige og viktige astrofysiske fenomener!
av Knut Jørgen Røed Ødegaard
Det spektakulære gammaglimtet 7. mars 2023 oppsto midt i den hvite sirkelen og utløste en kilonova (den røde flekken). Den opprinnelige vertsgalaksen ses nede til høyre.
Foto: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (IMAPP, Warw), A. Pagan (STScI)
Eksplosjonen fant sted mens forskerne fortsatt var opptatt av å analysere, oppsummere og prøve å forstå super-gammaglimtet 9. oktober i fjor (kalt BOAT – Brightest Of All Times). Også det fantastiske gammaglimtet 7. mars, kalt GRB 230307A, og den etterfølgende kilonovaen, ble observert av en rekke instrumenter, deriblant det nye romteleskopet JWST (James Webb Space Telescope). En kilonova er en ekstremt sjelden nova som er svakere enn en supernova, men rundt 1000 ganger (derav betegnelsen) sterkere enn en ordinær nova.
De fleste gammaglimtene oppstår mange milliarder lysår unna oss, men med en avstand på «bare» 850 millioner lysår (261 Mpc), fant denne hendelsen sted uvanlig nær og ga oss nærmest panaramutsikt til et av naturens mest spektakulære fenomener.
Undersøkelsene har gitt oss unik innsikt i hva som skjedde, hvor og hvordan det skjedde og hvordan mange av de aller tyngste grunnstoffene i Universet er dannet.
Uvanlig kombinasjon av to typer
Gammaglimt forekommer i tre hovedkategorier: De kortvarige som varer under 2 sekunder og som skyldes sammensmeltning mellom to kompakte objekter, de langvarige som varer over 2 sekunder (og noen ganger flere minutter) og som regel skyldes eksploderende enkeltstjerner og de superlangvarige – en sjelden type som kan vare i timevis.
GRB 230307A var særdeles bemerkelsesverdig. Det ble oppdaget med NASAs Fermi Gamma-Ray Space Telescope, var det nest sterkeste (etter gammaglimtet 9. oktober 2022) som har blitt observert i de mer enn 50 årene vi har med gammaglimt-observasjoner og var rundt 1000 ganger kraftigere enn typiske gammaglimt. Varigheten var dessuten 200 sekunder – langt inn i domenet for de langvarige gammaglimtene – selv om vi vet at opphavet var sammensmeltende nøytronstjerner og dermed noe helt annet enn masserike stjerner som vanligvis forårsaker langvarige gammaglimt.
En annen utfordring for GRB-teoriene er en kraftig og energirik forløper som ble observert like før hovedgammaglimtet. Det er flere mulige teorier for hvordan dette kunne oppstå, men det ser ut til at den ene av de sammensmeltende nøytronstjernene må ha hatt et usedvanlig kraftig magnetfelt (rundt eller over 1015 G), noe som betyr at den var en magnetar.
Alternativt kan dette forløperutbruddet ha kommet fra sammensmeltningsproduktet som kan ha vært en millisekund-pulsar med stor masse. Fremtidige gravitasjonsbølgemålinger vil kunne skille mellom disse scenariene i tilsvarende fenomener.
James Webb Space Telescope kom i full drift sommeren 2022 og gir oss med sin fantastiske følsomhet unike observasjoner av ekstremt fjerne objekter.
Illustrasjon: NASA
Ved hjelp av et omfattende samarbeid som involverte mange teleskoper av ulike typer både på bakken og i rommet, var det mulig å samle inn unik informasjon om begivenheten. Etter oppdagelsen startet en intens serie med observasjoner for å finne kilden på himmelen og å undersøke hvordan dens lysstyrke endret seg. Observasjoner i gammastråler, røntgen, optisk, infrarødt og radioområdet viste at den optiske/infrarøde gjenparten utviklet seg raskt og ble svært rød – kjennetegnene til en kilonova.
Denne typen eksplosjoner utvikler seg svært raskt, og materialet i eksplosjonen ekspanderer hurtig og kjølner derfor også raskt. Lyskilden blir derfor etter hvert sterkest i infrarødt og blir rødere i løpet av dager eller uker.
Kunstnerisk fremstilling av kilonovaen og gammaglimtet (tynne jetstråler mot høyre og venstre) som oppsto under sammensmeltningen av de to nøytronstjernene.
Illustrasjon: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
På senere tidspunkt ville det vært umulig å observere denne kilonovaen fra bakken, men Webbs infrarøde kamera (NICCam (Near-Infrared Camera) sammen med NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) var perfekt for å følge den videre utviklingen. Brede linjer i spektret viser at materiale har blitt blåst ut med store hastigheter. Men spektroskopien avslører også en annen detalj: Lys sendt ut av grunnstoffet tellurium (atomnummer 52), som her på Jorden er sjeldnere enn platina!
Webb-teleskopets infrarøde utstyr gjorde det også mulig å finne ut hvor de to nøytronstjernene som smeltet sammen opprinnelig kom fra: En spiralgalakse 120 000 lysår fra eksplosjonsstedet.
Flere trinn
Dermed kan vi rekonstruere hva som har skjedd: Det hele startet for mange millioner år siden med at to masserike og lyssterke stjerner ble dannet som et tett par et sted i spiralgalaksen. Deretter eksploderte først den ene og deretter den andre stjernen som supernovaer, Disse eksplosjonene medførte to voldsomme dytt (omtrent som fra en kraftig rakett) og etterlot et tett par med nøytronstjerner som gikk i tette baner rundt hverandre, men samtidig var på full fart ut av og deretter vekk fra vertsgalaksen.
Krabbetåken i vår egen galakse oppsto da en stjerne eksploderte i år 1054 og etterlot seg en nøytronstjerne.
Foto: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)
Slike supernova-eksplosjoner kan ofte få stjerneparet til å gå i oppløsning – stjerneresten og den ueksploderte stjernen farer i hver sin retning. Det skjedde ikke i dette tilfellet, og dermed bygget det opp til den spektakulære hendelsen som ble observerte i mars.
Nøytronstjerner har så ekstrem tetthet at de krummer rundt seg ganske mye. Det betyr at to nøytronstjerner går i tette baner rundt hverandre, blir selve rommet påvirket slik at gravitasjonsbølger sendes ut, og dette tapper systemet for energi slik at nøytronstjernene faller nærmere og nærmere hverandre og til slutt er nødt til å kollidere. I dette tilfellet rakk nøytronstjerneparet å tilbakelegge en avstand omtrent tilsvarende Melkeveiens diameter før de etter flere hundre millioner år smeltet sammen og utløste kjempe-eksplosjonen som ble observert 7. mars i år.
Kunstnerisk fremstilling av to nøytronstjerner som farer rundt hverandre mens de sender ut gravitasjonsbølger (ses som spiralmønster).
Illustrasjon: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
Kunstnerisk fremstilling av to nøytronstjerner som er i ferd med å smelte sammen og forårsake en eksplosjon kalt en kilonova. Samtidig utløses et kortvarig gammaglimt, og gravitasjonsbølgene som sendes ut kan observeres på store avstander og avsløre hva som har hendt.
Illustrasjon: University of Warwick/Mark Garlick
Animasjon av to nøytronstjerner som sirkler rundt hverandre og smelter sammen i en voldsom eksplosjon – et gammaglimt – og etterfølges av en kilonova. Store mengder tunge grunnstoffer som er dannet i eksplosjonen, blir slynget ut i rommet.
Animasjon: ESO/L. Calçada
Selv om kilonovaer er ekstremt sjeldne fenomener, forventer forskerne at flere slik eksplosjoner blir oppdaget i fremtiden pga. store og følsomme teleskoper både på bakken og i rommet som utfyller hverandre.
Hvordan grunnstoffene oppstår
I Big Bang oppsto hydrogen, helium og ørsmå mengder av litium, men hvordan har alle andre og tyngre grunnstoffer blitt dannet?
Forskerne har lenge vært klar over at stjernene er fabrikker for produksjon av disse grunnstoffene – både mens stjernene lever og akkurat i det de mest masserike stjernene dør og eksploderer. Men hvilke prosesser, stjerner og fenomener som har vært involvert har lenge vært uklart. Det vil si – lenge trodde forskerne at de fleste grunnstoffene med atommasser opp til jern og nikkel blir dannet i ulike stadier av stjerners utvikling mens de enda tyngre grunnstoffene hovedsakelig blir dannet i døende eller eksploderende stjerner – supernovaer.
Observasjoner gjort de siste årene demonstrerer at virkeligheten er langt mer komplisert og interessant!
Oppdagelsen av sammensmeltende nøytronstjerner gjorde at disse raskt ble antatt å produsere store mengder av de tyngste grunnstoffene.
Spesielt noen av de sjeldnere grunnstoffene som er tyngre enn jern, slik som tellurium, jod og andre grunnstoffer i det samme området av det periodiske systemet (såkalte lantanoider) blir trolig produsert i kilonovaer. Siden kilonovaer forekommer så sjelden og som regel veldig langt unna oss, har det vært svært vanskelig å gjøre observasjoner som har kunnet bekrefte eller avkrefte disse teoriene. Men GRB 230307A var så ekstremt, såpass nær oss, og kom i rett tid i forhold til tilgjengelig observasjonsutstyr – ikke minst Webb-teleskopet – at ekstraordinære observasjoner var mulig.
Webb-teleskopets observasjoner bekrefter nettopp at tellurium har blitt dannet i de utblåste gassene. Et nytt vindu til observasjoner av Universet er nå åpnet, og forskerne forventer at vi i fremtiden vil oppdage enda tyngre grunnstoffer i utblåste rester etter kilonovaer. Nøytronstjerner består hovedsakelig av nøytroner, og under selve sammensmeltningen er det derfor ekstremt store konsentrasjoner av denne partikkelen, noe som muliggjør at grunnstoffer dannes gjennom den såkalte r-prosessen.
Spektret til kilonovaen som ble observert etter GRB 230307A sammenlignet med en datamodell av en kilonova. Begge har en topp i samme bølgelengdeområde pga. tellurium.
Illustrasjon: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
Fargekodene viser hvordan vi mener at grunnstoffene har blitt til!
Illustrasjon: Jennifer Johnson, Ohio State University / Sannes & Ødegaard
Frem til nylig trodde vi at Jorden og vi mennesker består av stjernestøv fra supernovaer. Det er i seg selv ganske fascinerende. Men i virkeligheten består vi av støv fra både eksploderende stjerner og ekstremt kompakte stjernerester som har smeltet sammen og utløst noen av Universets voldsomste eksplosjoner!
Supertunge grunnstoffer?
Virkelig tunge grunnstoffer har så mange protoner at atomkjernene blir ustabile og får ekstremt kort levetid. De tyngste grunnstoffene (tyngre enn plutonium) blir derfor ikke funnet i naturen, men produseres i små mengder i laboratorier. Det tyngste grunnstoffet som hittil er laget og godkjent, har atomnummer 118.
Men forskerne mener at det finnes noen «magiske» atomnumre som gjøre at grunnstoffene kan være spesielt stabile og enten ha lang levetid eller være helt stabile. Dette gjelder spesielt grunnstoffer i nærheten av atomnummer 164. Kolliderende nøytronstjerner og r-prosessen er foreslått som mekanismer som kan muligens kan produsere slik grunnstoffer.
Det kan derfor tenkes at observasjoner av kilonovaer og kortvarige gammaglimt etter hvert kan gi oss store oppdagelser også innenfor atomfysikken.
Noen mener for øvrig at slike supertunge grunnstoffer også kan finnes i kjernen av enkelte asteroider i vårt solsystem, men dette er foreløpig mildt sagt omdiskutert.
Det periodiske system med alle kjente grunnstoffer. De tyngste grunnstoffene er menneskeskapte og har svært kort levetid. Kan naturen by på enda tyngre grunnstoffer?
Illustrasjon: Licks-rocks/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Forsiden
