För länge sedan och långt över universum, ett enormt utbrott av gammastrålar släppte lös mer energi på en halv sekund än vad solen kommer att producera under hela sin 10-miljarderåriga livstid.

Efter att ha undersökt den otroligt ljusa skuren med optisk, röntgen, nära-infraröda och radiovåglängder, ett astrofysikteam som leds av Northwestern University tror att det potentiellt upptäckte födelsen av en magnetar.

Forskare tror att magnetaren bildades av två neutronstjärnor som slogs samman, som aldrig tidigare har observerats. Sammanslagningen resulterade i en lysande kilonova – den ljusaste som någonsin skådats – vars ljus äntligen nådde jorden den 22 maj, 2020. Ljuset kom först som en explosion av gammastrålar, kallas en kort gammastrålning.

"När två neutronstjärnor smälter samman, det vanligaste förutspådda resultatet är att de bildar en tung neutronstjärna som kollapsar till ett svart hål inom millisekunder eller mindre, " sa Northwesterns Wen-fai Fong, som ledde studien. "Vår studie visar att det är möjligt att för just denna korta gammastrålning, det tunga föremålet överlevde. Istället för att kollapsa i ett svart hål, det blev en magnetar:en snabbt snurrande neutronstjärna som har stora magnetfält, dumpar energi i sin omgivande miljö och skapar det mycket ljusa sken som vi ser."

Forskningen har godkänts av The Astrofysisk tidskrift och kommer att publiceras online senare i år.

Fong är biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). Forskningen involverade två studenter, tre doktorander och tre postdoktorer från Fongs laboratorium.

"Ett nytt fenomen händer"

Efter att ljuset först upptäcktes av NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory, forskare anlitade snabbt andra teleskop - inklusive NASA:s Hubble Space Telescope, den mycket stora uppsättningen, W.M. Keck Observatory och Las Cumbres Observatory Global Telescope-nätverket – för att studera explosionens efterdyningar och dess värdgalax.

Fongs team insåg snabbt att något inte stämde.

Jämfört med röntgen- och radioobservationer, den nära-infraröda emissionen som upptäcktes med Hubble var alldeles för ljus. Faktiskt, det var 10 gånger ljusare än förutspått.

"När uppgifterna kom in, vi bildade en bild av mekanismen som producerade ljuset vi såg, " sa studiens medutredare, Tanmoy Laskar från University of Bath i Storbritannien. "När vi fick Hubble-observationerna, vi var tvungna att helt förändra vår tankeprocess, eftersom informationen som Hubble lade till fick oss att inse att vi var tvungna att förkasta vårt konventionella tänkande och att det var ett nytt fenomen på gång. Sedan var vi tvungna att ta reda på vad det betydde för fysiken bakom dessa extremt energiska explosioner."

Magnetiskt monster

Fong och hennes team har diskuterat flera möjligheter att förklara den ovanliga ljusstyrkan – känd som en kort gammastrålning – som Hubble såg. Forskare tror att korta skurar orsakas av sammanslagning av två neutronstjärnor, extremt täta föremål omkring solens massa komprimerade till volymen av en stor stad som Chicago. Medan de flesta korta gammastrålar förmodligen resulterar i ett svart hål, de två neutronstjärnorna som gick samman i det här fallet kan ha kombinerats för att bilda en magnetar, en supermassiv neutronstjärna med ett mycket kraftfullt magnetfält.

"Du har i princip de här magnetfältslinjerna som är förankrade till stjärnan som piskar runt vid ungefär 1, 000 gånger i sekunden, och detta producerar en magnetiserad vind, " Laskar förklarade. "Dessa snurrande fältlinjer extraherar rotationsenergin från neutronstjärnan som bildades i sammanslagningen, och deponerar den energin i utkastet från explosionen, får materialet att lysa ännu starkare."

"Vi vet att magnetarer finns eftersom vi ser dem i vår galax, "Fong sa. "Vi tror att de flesta av dem bildas i de explosiva dödsfallen av massiva stjärnor, lämnar dessa starkt magnetiserade neutronstjärnor bakom sig. Dock, det är möjligt att en liten del bildas vid sammanslagningar av neutronstjärnor. Vi har aldrig sett bevis på det tidigare, än mindre i infrarött ljus, gör denna upptäckt speciell."

Konstigt ljus kilonova

Kilonovae, som vanligtvis är 1, 000 gånger ljusare än en klassisk nova, förväntas åtfölja korta gammastrålningskurar. Unikt för sammanslagning av två kompakta objekt, kilonovaer lyser från radioaktivt sönderfall av tunga grundämnen som kastas ut under sammanslagningen, producerar eftertraktade grundämnen som guld och uran.

"Vi har bara en bekräftad och välsamplad kilonova hittills, sa Jillian Rastinejad, en medförfattare till uppsatsen och doktorand i Fongs laboratorium. "Så det är särskilt spännande att hitta en ny potentiell kilonova som ser så annorlunda ut. Denna upptäckt gav oss möjligheten att utforska mångfalden av kilonovaer och deras kvarlevande föremål."

Om den oväntade ljusstyrkan som Hubble såg kom från en magnetar som avsatte energi i kilonovamaterialet, sedan, inom några år, det utstötade materialet från skuren kommer att producera ljus som dyker upp vid radiovåglängder. Uppföljande radioobservationer kan i slutändan bevisa att detta var en magnetar, leder till en förklaring av sådana föremåls ursprung.

"Nu när vi har en mycket lysande kandidat kilonova, Rastinejad sa, "Jag är exalterad över de nya överraskningarna som korta gammastrålar och sammanslagningar av neutronstjärnor har i beredskap för oss i framtiden."