Den 14 januari 2019, observatoriet Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) på Kanarieöarna fångade det högsta energiljuset som registrerats från en gammastrålning. MAGIC började observera blekningsskuren bara 50 sekunder efter att den upptäcktes tack vare positioner från NASA:s Fermi och Swift-rymdfarkoster (överst till vänster och höger, respektive, i den här illustrationen). Gammastrålarna packade energi upp till 10 gånger större än tidigare sett. Kredit:NASA/Fermi och Aurore Simonnet, Sonoma State University
Ett par avlägsna explosioner som upptäckts av NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope och Neil Gehrels Swift Observatory har producerat det högsta energiljuset som hittills setts från dessa händelser, kallas gammastrålningskurar (GRB). Detektering av rekordinställning, gjorda av två olika markbaserade observatorier, ge nya insikter om mekanismerna som driver gammastrålningskurar.
Astronomer kände först igen GRB-fenomenet för 46 år sedan. Explosionerna dyker upp på slumpmässiga platser på himlen ungefär en gång om dagen, i genomsnitt.
Den vanligaste typen av GRB uppstår när en stjärna som är mycket mer massiv än solen får slut på bränsle. Dess kärna kollapsar och bildar ett svart hål, som sedan spränger strålar av partiklar utåt med nästan ljusets hastighet. Dessa strålar tränger igenom stjärnan och fortsätter ut i rymden. De producerar en initial puls av gammastrålar - den mest energiska formen av ljus - som vanligtvis varar ungefär en minut.
När jetplanen rasar utåt, de interagerar med omgivande gas och avger ljus över hela spektrumet, från radio till gammastrålar. Dessa så kallade efterglöd kan upptäckas upp till månader – och sällan, jämna år — efter utbrottet vid längre våglängder.
"Mycket av det vi har lärt oss om GRB under de senaste decennierna har kommit från att observera deras efterglöd vid lägre energier, sa Elizabeth Hays, Fermi-projektets forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Nu, tack vare dessa nya markbaserade detektioner, vi ser gammastrålning från gammastrålning på ett helt nytt sätt."
Två artiklar publicerade i tidskriften Natur beskriv var och en av upptäckterna. En tredje artikel analyserar en av skurarna med hjälp av en rik uppsättning multivåglängdsdata från observatorier i rymden och på marken. En fjärde tidning, accepteras av The Astrofysisk tidskrift , utforskar Fermi- och Swift-data mer i detalj.
Det blekande efterskenet av GRB 190114C och dess hemgalax avbildades av rymdteleskopet Hubble den 11 februari och 12 mars, 2019. Skillnaden mellan dessa bilder avslöjar en svag, kortlivad glöd (mitten av den gröna cirkeln) som ligger cirka 800 ljusår från galaxens kärna. Blå färger bortom kärnan signalerar närvaron av heta, unga stjärnor, vilket indikerar att detta är en spiralgalax som något liknar vår egen. Den ligger cirka 4,5 miljarder ljusår bort i stjärnbilden Fornax. Kredit:NASA, ESA, och V. Acciari et al. 2019
Den 14 januari 2019, strax före 16.00. EST, både Fermi- och Swift-satelliterna upptäckte en topp av gammastrålar från konstellationen Fornax. Uppdragen varnade det astronomiska samhället om platsen för explosionen, döpt till GRB 190114C.
En anläggning som tog emot varningarna var observatoriet Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC), ligger på La Palma på Kanarieöarna, Spanien. Båda dess 17 meter långa teleskop vände sig automatiskt till platsen för den blekande explosionen. De började observera GRB bara 50 sekunder efter att den upptäcktes och fångade de mest energiska gammastrålar som hittills setts från dessa händelser.
Energin hos synligt ljus sträcker sig från cirka 2 till 3 elektronvolt. Under 2013, Fermis Large Area Telescope (LAT) upptäckte ljus som når en energi på 95 miljarder elektronvolt (GeV), sedan den högsta sett från en skur. Detta faller bara 100 GeV, tröskeln för så kallad mycket högenergi (VHE) gammastrålar. Med GRB 190114C, MAGIC blev den första anläggningen att rapportera entydig VHE-utsläpp, med energier upp till en biljon elektronvolt (1 TeV). Det är 10 gånger den toppenergi som Fermi har sett hittills.
"Tjugo år sedan, vi designade MAGIC specifikt för att söka efter VHE-utsläpp från GRB, så detta är en enorm framgång för vårt team, " sa medförfattaren Razmik Mirzoyan, en vetenskapsman vid Max Planck Institute for Physics i München och talespersonen för MAGIC-samarbetet. "Upptäckten av TeV gammastrålar från GRB 190114C visar att dessa explosioner är till och med kraftfullare än man trodde tidigare. Ännu viktigare, vår upptäckt underlättade en omfattande uppföljningskampanj som involverade mer än två dussin observatorier, ger viktiga ledtrådar till de fysiska processerna i arbetet i GRBs."
Dessa inkluderade NASAs NuSTAR-uppdrag, Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton röntgensatellit, NASA/ESA rymdteleskop Hubble, förutom Fermi och Swift, tillsammans med många markbaserade observatorier. Hubble-bilder som tagits i februari och mars fångade skurens optiska efterglöd. De visar att explosionen har sitt ursprung i en spiralgalax cirka 4,5 miljarder ljusår bort. Detta betyder att ljuset från denna GRB började resa till oss när universum var två tredjedelar av sin nuvarande ålder.
Den tredje artikeln presenterar observationer av en annan explosion, som Fermi och Swift båda upptäckte den 20 juli, 2018. Tio timmar efter deras larm, High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) pekade på sin stora, 28-meters gammastrålningteleskop till platsen för explosionen, kallas GRB 180720B. En noggrann analys som genomfördes under veckorna efter händelsen visade att H.E.S.S. tydligt detekterade VHE-gammastrålar med energier upp till 440 GeV. Ännu mer anmärkningsvärt, glöden fortsatte i två timmar efter observationens början. Att fånga detta utsläpp så långt efter GRB:s upptäckt är både en överraskning och en viktig ny upptäckt.
Markbaserade anläggningar har detekterat strålning upp till en biljon gånger energin av synligt ljus från en kosmisk explosion som kallas en gammastrålningskur (GRB). Den här illustrationen visar inställningen för den vanligaste typen. Kärnan i en massiv stjärna (till vänster) har kollapsat och bildat ett svart hål. Denna "motor" driver en stråle av partiklar som rör sig genom den kollapsande stjärnan och ut i rymden med nästan ljusets hastighet. Det snabba utsläppet, som vanligtvis varar en minut eller mindre, kan uppstå från strålens växelverkan med gas nära det nyfödda svarta hålet och från kollisioner mellan skal av snabbt rörlig gas i strålen (inre stötvågor). Efterglödemissionen sker när strålens framkant sveper upp sin omgivning (som skapar en extern stötvåg) och avger strålning över hela spektrumet under en tid - månader till år, när det gäller radio och synligt ljus, och många timmar vid de högsta gammastrålningsenergier som hittills observerats. Dessa överstiger vida 100 miljarder elektronvolt (GeV) för två senaste GRB:er. Kredit:NASA:s Goddard Space Flight Center
Forskare misstänker att de flesta gammastrålar från GRB-efterglöd har sitt ursprung i magnetiska fält vid jetstrålens framkant. Högenergielektroner som spiralerar i fälten sänder ut gammastrålar direkt genom en mekanism som kallas synkrotronemission.
Men både H.E.S.S. och MAGIC-team tolkar VHE-emissionen som en distinkt efterglödskomponent, vilket innebär att någon ytterligare process måste vara på gång. Den bästa kandidaten, de säger, är omvänd Compton-spridning. Högenergielektroner i jetstrålen kraschar in i gammastrålar med lägre energi och förstärker dem till mycket högre energier.
I tidningen som beskriver Fermi- och Swift-observationerna, forskarna drar slutsatsen att en ytterligare fysisk mekanism verkligen kan behövas för att producera VHE-emissionen. Inom de lägre energierna som observeras av dessa uppdrag, dock, floden av synkrotrongammastrålar gör det mycket svårare att avslöja en andra process.
"Med Fermi och Swift, vi ser inga direkta bevis på en andra utsläppskomponent, " sa Goddards S. Bradley Cenko, huvudutredaren för Swift och en medförfattare till Fermi-Swift och multiwavelength papers. "Dock, om VHE-emissionen enbart härrör från synkrotronprocessen, då kommer grundläggande antaganden som används för att uppskatta den maximala energi som produceras av denna mekanism att behöva revideras."
Framtida burstobservationer kommer att behövas för att klargöra den fysiska bilden. De nya VHE-data öppnar en ny väg för att förstå GRBs, en som kommer att utökas ytterligare av MAGIC, H.E.S.S. och en ny generation markbaserade gammastråleteleskop som nu planeras.
