Under 10 år, NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop har skannat himlen efter gammastrålningskurar (GRB), universums mest lysande explosioner. En ny katalog över explosioner med högst energi ger forskare nya insikter om hur de fungerar.

"Varje utbrott är på något sätt unikt, sa Magnus Axelsson, en astrofysiker vid Stockholms universitet i Sverige. "Det är bara när vi kan studera stora prover, som i denna katalog, att vi börjar förstå de gemensamma dragen hos GRB. Dessa ger oss i sin tur ledtrådar till de fysiska mekanismerna i arbetet."

Katalogen publicerades i den 13 juni upplagan av The Astrophysical Journal och är nu tillgänglig online. Mer än 120 författare bidrog till tidningen, leds av Axelsson, Elisabetta Bissaldi vid National Institute of Nuclear Physics and Polytechnic University i Bari, Italien, och Nicola Omodei och Giacomo Vianello vid Stanford University i Kalifornien.

GRB:er avger gammastrålar, den högsta energiformen av ljus. De flesta GRB uppstår när vissa typer av massiva stjärnor får slut på bränsle och kollapsar för att skapa nya svarta hål. Andra händer när två neutronstjärnor, supertäta rester av stjärnexplosioner, sammanfoga. Båda typerna av katastrofala händelser skapar strålar av partiklar som rör sig nära ljusets hastighet. Gammastrålarna produceras vid kollisioner av snabbt rörligt material inuti strålarna och när strålarna interagerar med miljön runt stjärnan.

Astronomer kan särskilja de två GRB-klasserna genom varaktigheten av deras gammastrålar med lägre energi. Korta skurar från sammanslagningar av neutronstjärnor varar mindre än 2 sekunder, medan långa skurar vanligtvis fortsätter i en minut eller mer. Den nya katalogen, som inkluderar 17 korta och 169 långa skurar, beskriver 186 händelser som setts av Fermis Large Area Telescope (LAT) under de senaste 10 åren.

Fermi observerar dessa kraftfulla skurar med hjälp av två instrument. LAT ser ungefär en femtedel av himlen när som helst och registrerar gammastrålar med energier över 30 miljoner elektronvolt (MeV) – miljontals gånger energin från synligt ljus. Gamma-ray Burst Monitor (GBM) ser hela himlen som inte är blockerad av jorden och upptäcker lägre energiutsläpp. Allt sagt, GBM har upptäckt mer än 2, 300 GRB hittills.

Nedan är ett exempel på fem rekordsättande och spännande händelser från LAT-katalogen som har hjälpt forskare att lära sig mer om GRB.

1. GRB 081102B

Den korta skuren 081102B, som inträffade i stjärnbilden Boötes den 2 nov. 2008, är den kortaste LAT-detekterade GRB, varar bara en tiondels sekund. Även om detta utbrott dök upp under Fermis första år av observationer, den ingick inte i en tidigare version av samlingen som publicerades 2013.

"Den första LAT-katalogen identifierade bara 35 GRB, " sa Bissaldi. "Tack vare förbättrade dataanalystekniker, vi kunde bekräfta några av de marginella observationerna i det urvalet, samt identifiera fem gånger så många skurar för den nya katalogen."

2. GRB 160623A

Långlivad skur 160623A, upptäcktes den 23 juni, 2016, i stjärnbilden Cygnus, fortsatte att lysa i nästan 10 timmar vid LAT-energier—den längsta skuren i katalogen. Men vid de lägre energierna som registrerats av Fermis GBM-instrument, den upptäcktes i endast 107 sekunder. Denna skarpa skillnad mellan instrumenten bekräftar en trend som antyddes i den första LAT-katalogen. För både långa och korta skurar, den högenergiska gammastrålningen varar längre än den lågenergiska emissionen och sker senare.

3. GRB 130427A

Den individuella gammastrålningen med högst energi som upptäckts av Fermis LAT nådde 94 miljarder elektronvolt (GeV) och reste 3,8 miljarder ljusår från konstellationen Lejonet. Det sänds ut av 130427A, som också innehar rekordet för flest gammastrålar—17—med energier över 10 GeV.

En populär modell föreslog att laddade partiklar i strålen, rör sig med nästan ljusets hastighet, stöter på en chockvåg och ändrar plötsligt riktning, sänder ut gammastrålar som ett resultat. Men den här modellen kan inte ta hänsyn till rekordljuset från denna skur, tvingar forskare att ompröva sina teorier.

De ursprungliga fynden på 130427A visar att LAT-instrumentet spårade sina utsläpp dubbelt så länge som det anges i katalogen. På grund av den stora urvalsstorleken, teamet antog samma standardiserade analys för alla GRB, vilket resulterade i något annorlunda siffror än vad som rapporterades i den tidigare studien.

4. GRB 080916C

Den längst kända GRB inträffade 12,2 miljarder ljusår bort i stjärnbilden Carina. Ringde 080916C, forskare beräknar att explosionen innehöll kraften 9, 000 supernovor.

Teleskop kan observera GRB på dessa stora avstånd eftersom de är så ljusa, men det är svårt att fastställa deras exakta avstånd. Avstånden är bara kända för 34 av de 186 händelserna i den nya katalogen.

5. GRB 090510

Det kända avståndet till 090510 hjälpte till att testa Einsteins teori att rymdtidens struktur är jämn och kontinuerlig. Fermi upptäckte både en hög- och en lågenergi-gammastrålning i nästan samma ögonblick. Efter att ha rest samma sträcka på samma tid, de visade att allt ljus, oavsett dess energi, rör sig med samma hastighet genom rymdens vakuum.

"Den totala gammastrålningen från 090510 varade mindre än 3 minuter, ändå tillät det oss att undersöka denna mycket grundläggande fråga om fysik i vårt kosmos, " Sa Omodei. "GRB är verkligen en av de mest spektakulära astronomiska händelserna som vi bevittnar."

Vad saknas?

GRB 170817A markerade första gången ljus och krusningar i rum-tid, kallade gravitationsvågor, detekterades från sammanslagning av två neutronstjärnor. Händelsen fångades av Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), Virgo-interferometern och Fermis GBM-instrument, men det observerades inte av LAT eftersom instrumentet stängdes av när rymdfarkosten passerade genom ett område i Fermis omloppsbana där partikelaktiviteten är hög.

"Nu när LIGO och Jungfrun har börjat ytterligare en observationsperiod, astrofysikgemenskapen kommer att leta efter fler gemensamma GRB- och gravitationsvåghändelser", sa Judy Racusin, en medförfattare och Fermi biträdande projektforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Denna katalog var en monumental laginsats, och resultatet hjälper oss att lära oss om befolkningen i dessa händelser och förbereder oss för att fördjupa oss i framtida banbrytande fynd."

Fermi Gamma-ray Space Telescope är ett partnerskap för astrofysik och partikelfysik som förvaltas av NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Fermi utvecklades i samarbete med US Department of Energy, med viktiga bidrag från akademiska institutioner och partners i Frankrike, Tyskland, Italien, Japan, Sverige och USA.