På ett ögonblick, en massiv stjärna mer än 2 miljarder ljusår bort förlorade en miljon år lång kamp mot gravitationen och kollapsade, utlöser en supernova och bildar ett svart hål i dess centrum.

Detta nyfödda svarta hål rapade en flyktig men häpnadsväckande intensiv blixt av gammastrålar känd som en gammastrålning (GRB) mot jorden, där den upptäcktes av NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory den 19 december 2016.

Medan gammastrålarna från explosionen försvann från sikte bara sju sekunder senare, längre våglängder av ljus från explosionen – inklusive röntgen, synligt ljus, och radio – fortsatte att lysa i veckor. Detta gjorde det möjligt för astronomer att studera efterdyningarna av denna fantastiskt energiska händelse, känd som GRB 161219B, med många markbaserade observatorier, inklusive National Science Foundations Very Large Array.

De unika egenskaperna hos Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), dock, gjorde det möjligt för ett team av astronomer att göra en utökad studie av denna explosion vid millimetervåglängder, få nya insikter om just denna GRB och storleken och sammansättningen av dess kraftfulla jetplan.

"Eftersom ALMA ser ljus i millimetervåglängd, som innehåller information om hur strålarna interagerar med omgivande damm och gas, det är en kraftfull undersökning av dessa våldsamma kosmiska explosioner, sa Tanmoy Laskar, en astronom vid University of California, Berkeley, och en Jansky postdoktor vid National Radio Astronomy Observatory. Laskar är huvudförfattare till studien, som visas i Astrofysisk tidskrift .

Dessa observationer gjorde det möjligt för astronomerna att producera ALMAs första time-lapse-film någonsin om en kosmisk explosion, som avslöjade en förvånansvärt långvarig omvänd stötvåg från explosionen som ekade tillbaka genom strålarna. "Med vår nuvarande förståelse av GRBs, vi skulle normalt förvänta oss att en omvänd stöt varar bara några sekunder. Den här varade en bra del av en hel dag, sa Laskar.

En omvänd chock uppstår när material som sprängs bort från en GRB av dess strålar rinner in i den omgivande gasen. Detta möte saktar ner det läckande materialet, skickar en stötvåg tillbaka ner i jetplanet.

Eftersom jetplanen inte förväntas hålla mer än några sekunder, en omvänd chock bör vara en lika kortvarig händelse. Men nu verkar det inte vara fallet.

"I årtionden, astronomer trodde att denna omvända chock skulle producera en stark blixt av synligt ljus, som hittills varit riktigt svår att hitta trots noggranna sökningar. Våra ALMA-observationer visar att vi kan ha letat på fel ställe, och att millimeterobservationer är vårt bästa hopp att fånga dessa kosmiska fyrverkerier, " sa Carole Mundell från University of Bath, och medförfattare till studien.

Istället, ljuset från den omvända stöten lyser starkast vid millimetervåglängderna på tidsskalor på ungefär en dag, vilket med största sannolikhet är anledningen till att det har varit så svårt att upptäcka tidigare. Medan det tidiga millimeterljuset skapades av den omvända stöten, röntgenstrålningen och det synliga ljuset kom från sprängvågschocken som åkte framför jetplanen.

"Vad var unikt med denna händelse, Laskar tillägger, "är det när den omvända stöten kom in i jetplanet, den överförde långsamt men kontinuerligt jetenergin till den framåtgående sprängvågen, vilket gör att röntgen och synligt ljus bleknar mycket långsammare än förväntat. Astronomer har alltid undrat varifrån denna extra energi i sprängvågen kommer. Tack till ALMA, vi vet att denna energi – upp till 85 procent av den totala i fallet med GRB 161219B – är gömd i långsamt rörligt material i själva jetstrålen."

Den ljusa omvända stötemissionen försvann inom en vecka. Blastvågen lyste sedan igenom i millimeterbandet, ger ALMA en chans att studera jetplanets geometri.

Det synliga ljuset från sprängvågen vid denna kritiska tidpunkt, när utflödet har saktat ner precis tillräckligt för att hela strålen ska bli synlig på jorden, överskuggades av den framväxande supernovan från den exploderade stjärnan. Men ALMA:s iakttagelser, obehindrat av supernovaljus, gjorde det möjligt för astronomerna att begränsa öppningsvinkeln för utflödet från strålen till cirka 13 grader.

Att förstå formen och varaktigheten av utflödet från stjärnan är väsentligt för att bestämma den verkliga energin för explosionen. I detta fall, astronomerna finner att strålarna innehöll lika mycket energi som vår sol släcker ut på en miljard år.

"Det här är en fantastisk mängd energi, men det är faktiskt en av de minst energiska händelserna vi någonsin har sett. Varför det är så förblir ett mysterium, säger Kate Alexander, en doktorand vid Harvard University som ledde VLA-observationerna som rapporterades i denna studie. "Även om mer än två miljarder ljusår bort, denna GRB är faktiskt den närmaste händelsen för vilken vi har mätt de detaljerade egenskaperna för utflödet, tack vare den kombinerade kraften hos ALMA och VLA."

VLA, som observerar vid längre våglängder, fortsatte att observera radioutstrålningen från den omvända stöten efter att den försvann från ALMAs synvinkel.

Detta är bara den fjärde gammastrålningen med en övertygande, flerfrekvensdetektering av en omvänd stöt, konstaterar forskarna. Materialet runt den kollapsande stjärnan var cirka 3, 000 gånger mindre tät än den genomsnittliga densiteten av gas i vår galax, och dessa nya ALMA-observationer tyder på att sådana lågdensitetsmiljöer är avgörande för att producera omvända stötemissioner, vilket kan förklara varför sådana signaturer är så sällsynta.

"Our rapid-response observations highlight the key role ALMA can play in following up transients, revealing the energy source that powers them, and using them to map the physics of the universe to the dawn of the first stars, " concludes Laskar. "In particular, our study demonstrates that ALMA's superb sensitivity and new rapid-response capabilities makes it the only facility that can routinely detect reverse shocks, allowing us to probe the nature of the relativistic jets in these energetic transients, and the engines that launch and feed them."