I juni 2016, ett internationellt team av 31 astronomer, ledd av University of Marylands Eleanora Troja och inklusive Arizona State Universitys Nathaniel Butler, fångade en massiv stjärna när den dog i en titanisk explosion djupt i rymden.

Explosionen från den döende stjärnan släppte på cirka 40 sekunder lika mycket energi som solen släpper under hela sin livstid, allt fokuserat i en tät stråle av gammastrålar riktad av en slump mot jorden.

Teamets resultat, rapporterade i den vetenskapliga tidskriften Natur , ge starkt bevis för en av två konkurrerande modeller för hur gammastrålborrar (GRB) producerar sin energi.

"Det här är de ljusaste explosionerna i universum, säger Butler, en docent vid ASU:s School of Earth and Space Exploration. "Och vi kunde mäta dennas utveckling och förfall nästan från den första sprängningen."

Snabba reflexer

Gammastrålningsexplosionen den 25 juni, 2016, upptäcktes av två NASA-satelliter som övervakar himlen för sådana händelser, Fermi Gamma-ray Space Telescope och Swift Gamma-Ray Burst Mission.

Satellitobservatorierna upptäckte explosionen av gammastrålar, identifierade var på himlen den kom ifrån, och skickade sin himmelska position inom några sekunder till automatiserade teleskop på marken.

MASTER-IRC-teleskopet vid Teide-observatoriet på Kanarieöarna observerade det först, inom en minut efter satellitmeddelandet. Teleskopet är en del av Rysslands MASTER-nätverk av robotteleskop vid Teide-observatoriet. Den gjorde optiska ljusobservationer medan den inledande fasen fortfarande var aktiv, samla in data om mängden polariserat optiskt ljus i förhållande till det totala ljuset som produceras.

Efter att solen gått ner över denna anläggning åtta och en halv timme senare, RATIR-kameran som ASU är involverad i började observera. RATIR står för Reionization And Transients InfraRed kamera; den är monterad på ett 1,5 meter (60-tums) robotstyrt teleskop som ligger på San Pedro Mártir-toppen, vid Mexikos National Astronomical Observatory i Baja California. Butler är huvudutredaren för den helautomatiska kameran.

Butler förklarar, "I bästa fall, det tar en minut eller två för vårt teleskop att svänga till skurens position. I detta fall, vi fick vänta på att den skulle stiga över horisonten. Det betyder att själva gammastrålningsutbrottet hade tagit slut, och vi observerade vad som kallas efterglöden. Detta är den blekande explosionen när strålningen chockerar upp det interstellära mediet runt stjärnan som exploderade."

Han säger, "RATIR-kameran låter oss ta bilder samtidigt i sex färger, två optiska och fyra nära-infraröda. Under de senaste fem åren, RATIR har avbildat 155 gammastrålningskurar."

Mysterium strålar av energi

Medan gammastrålar har varit kända i cirka femtio år, astronomer är fortfarande mest i mörkret om hur de bryter ut.

"Trots en lång historia av observationer, Butler säger, "Utsläppsmekanismen som driver gammastrålningsskador förblir i stort sett mystisk."

Gammastrålning detekteras ungefär en gång om dagen och är korta, men intensiv, blixtar av gammastrålning. De kommer från alla olika håll på himlen, och de varar från tiotals millisekunder till ungefär en minut, gör det svårt att observera dem i detalj.

Astronomer tror att de flesta av dessa explosioner är förknippade med supernovor. Dessa uppstår när en massiv stjärna når slutet av sin normala existens och blåser upp i en kolossal explosion. En supernova kastar av sig några av stjärnans yttre lager, medan dess kärna och återstående lager kollapsar på några sekunder till en neutronstjärna eller, i fallet med mycket massiva stjärnor, a black hole.

Continued RATIR observations over weeks following the June 2016 outburst showed that the gamma rays were shot out in a beam about two degrees wide, or roughly four times the apparent size of the Moon. It was sheer chance that Earth happened to lie within the beam.

Beaming effects, Butler says, may result from the spin of the black hole produced after the supernova explosion, as it releases material along its poles.

Magnetic focus

"We think the gamma-ray emission is due to highly energetic electrons, propelled outward like a fireball, " Butler says. Magnetic fields must also be present, han lägger till, and theories differ as to how the fields are produced and to what extent the flow of magnetic energy outward is important.

A key diagnostic is measuring the radiation's polarization, han förklarar. Detta, astronomers think, is largely controlled by the strength of the magnetic fields that focus the radiation. Butler says, "Measuring the strength of magnetic fields by their polarization effects can tell us about the mechanisms that accelerate particles such as electrons up to very high energies and cause them to radiate at gamma-ray energies."

In the case of the June 2016 blast, the scientists were able to measure polarization using MASTER within minutes, an unprecedented early discovery. The large amount of polarization the team observed indicates that powerful magnetic fields were confining and directing it. This lends support for the magnetic origin model for gamma-ray bursters.

While gamma-ray bursters have many more mysteries to be unfolded, Butler says, "this is the first strong evidence that the early shocks generated by these bursts are magnetically driven."