Astronomer opdager gådefuld kosmisk eksplosion

Daniele Bjørn Malesani var i gang med at udføre en rutinemæssig opfølgende observation af et gammaglimt, kaldet GRB 211211A, med det Nordiske Optiske Teleskop på kanarieøen La Palma. En standardprocedure efter at have modtaget en sms, automatisk udløst af rumfartøjet “Neil Gehrels Swift Observatory”, som overvåger himlen for gammaglimt.

Men der var noget, der ikke helt stemte…

Malesani er astronom ved Radboud Universitet i Holland, og gæsteforsker ved Cosmic Dawn Center i København. Han er ekspert i gammaglimt, de energirigeste eksplosioner i Universet.

Men for at forstå, hvad der ikke stemte, må vi lige se på, hvad et “gammaglimt” egentlig er:

Ligeså lysstærke som hele Universet

Gammaglimt er kortvarige og ultra-klare udbrud af den mest energirige form for lys, gammastråler. De ses mest i det meget fjerne Univers, og kommer generelt i to kategorier, som menes at stamme fra to forskellige fysiske scenarier:

“Lange” glimt varer typisk fra et par sekunder til flere minutter, men ledsages derefter ofte af en længerevarende efterglød af mindre energirig stråling. De optræder i de mest stjernedannende områder af galakser, og menes at være resultatet af en tung stjerne, der kollapser til en kompakt neutronstjerne eller et sort hul. De ydre lag bortkastes i en gigantisk eksplosion, ligesom en supernova.

“Korte” glimt er endnu mere flygtige, på typisk 1/10 til 1 sekund. De ses ofte forskudt fra galaksernes centrer, eller endda uden for galakserne. Den fremherskende teori er, at de er resultatet af to tunge stjerner, som kredser om hinanden i et dobbeltstjernesystem. På et tidspunkt eksploderer de som supernovaer og slynges ud af deres værtsgalakse. Til sidst vil de to objekter spirallere ind og smelte sammen, hvilket udløser et gammaglimt.

I begge tilfælde er den frigivne energi ærefrygtindgydende: På deres højeste kan de skinne lige så stærkt som alle stjernerne i det observerbare Univers tilsammen (forudsat at de lyser lige klart i alle retninger; i virkeligheden er de nok noget svagere, men udsender lyset i en smal stråle, hvor vi tilfældigvis ligger i denne retning).

Mixed signals

Så hvad var problemet med Malesanis glimt, GRB 211211A? Det passede simpelthen ikke ind i én af disse to kategorier. Eller, kan man sige, det passede ind i dem begge.

“Observationerne viste, at glimtet opstod uden for en galakse af den type, som er typisk for korte glimt. Men i stedet for at var millisekunder eller et par sekunder, varede dette bæst næsten et minut,” fortæller Malesani.

Den ejendommenlige begivenhed fik et internationalt hold af astronomer, ledet af Jillian Rastinejad ved Northwestern Universitet i USA, til at sætte en intensiv kampagne i værk for at studere dette overraskende objekt. Deres bestræbelser førte til den helt uventede opdagelse af en såkaldt kilonova; den rygende pistol som er evidens for sammenstødet af to neutronstjerner (eller eventuelt en neutronstjerne og et sort hul).

Neutronstjerner i dobbeltsystemer betragtes som ophavet til et kort gammaglimt. Hvorfor den her i stedet blev fulgt af et langt glimt undrede astronomerne.

Luca Izzo, astronom ved forskningssektionen DARK på Niels Bohr Institutet, deltog i studiet. Han udtaler: “Gammaglimt kan udvise en række forskellige adfærdsmønstre, men forskellen på lange og korte glimt har været veletableret siden 1990’erne og betragtes som én af grundpillerne i dette felt. Den nye opdagelse kom virkelig bag på os.”

En ny måde at lave guld på?

Kilonovaer meres at være Universets hovedmekanisme til at skabe tunge grundstoffer såsom ædelmetallerne sølv, guld og platin, de radioaktive stoffer plutonium og uran, samt mange andre. Som altid i fysik, findes et definitivt bevis ikke for, at det er en kilonova der er skyld i det lange gammaglimt.

Når astronomerne alligevel er ret sikre på deres fortolkning, skyldes det flere omstændigheder. Johan Fynbo, professor på Cosmic Dawn Center og deltager i studiet, forklarer:

“Eftergløden af glimtet udviste farver og karaktertræk, som er konsistent med en kilonova, og som vi aldrig har set for andre typer objekter. Desuden ville vi ikke forvente at se en kollapsende stjerne udenfor en galakse, eftersom en sådan rejse tager hundreder af millioner af år, mens tunge stjerner eksploderer på tidsskalaer mindre end 10 millioner år.”

Men i princippet kunne GRB 211211A være en kollapsar inde i en lyssvag eller støvfyldt, uopdaget galakse, selvom Hubble-billederne dog er meget dybe og burde have set dette. “Opfølgende observationer med de mere sensitive ALMA-radioteleskoper i Chile, eller rumteleskopet James Webb, vil være i stand til at besvare dette,” bemærker Fynbo.

Hvis fortolkningen viser sig at være korrekt, åbner det ikke blot op for en spændende ny mekanisme, hvorpå kilonovaer kan danne nye grundstoffer. Det er også en stærk motivation for at lede efter nye kilonovaer, der hvor vi ser lange gammaglimt.

“Kilonovaer er et relativt nyt og uudforsket fænomen for os; den dag i dag har vi stadig kun set ganske få,” forklarer Daniele Bjørn Malesani. “Fordi vi ikke regnede med, at de var forbundet med lange glimt, har vi simpelthen ikke før ledt dér. Men nu ved vi, at Naturen er mere kreativ, end vi troede hidtil.”

Fra et tidligere studie i 2006 havde de tre astronomer mistanke om, at kolliderende neutronstjerner måske kunne holde sig aktive længere end blot et par sekunder. Men uden detektionen af en kilonova, var det bare gætværk. Én teori er, at neutronstjerner som kollapser kan spinne så afsindigt hurtigt rundt — med en betydelig brøkdel af lysets fart — at centrifugalkræfter kan opretholde det sammensmeltede objekt i lidt tid og dermed udskyde dens dystre skæbne.

Fremtidige observationer af flere lange glimt fra kilonovaer vil lære os mere om dette fascinerende fænomen. Opdagelserne er netop blevet udgivet i det videnskabelige tidsskrift Nature.