Förutom svarta hål, magnetarer kan vara de mest extrema stjärnorna i universum. Med en diameter som är mindre än längden på Manhattan, de packar mer massa än vår sols, utöva det största magnetfältet av något känt föremål - mer än 10 biljoner gånger starkare än en kylskåpsmagnet - och snurra på deras axlar med några sekunders mellanrum.

En typ av neutronstjärna – resterna av en supernovaexplosion – magnetar är så starkt magnetiserade att även måttliga störningar i magnetfältet kan orsaka utbrott av röntgenstrålar som varar sporadiskt i veckor eller månader.

Dessa exotiska, kompakta stjärnor tros också vara källan till vissa typer av korta gammastrålningskurar (GRB):ljusa blixtar av högenergisk strålning som har förbryllat astronomer sedan de först upptäcktes på 1970-talet. Flera av dessa jättemagnetiska bloss har upptäckts i Vintergatans galax. Men eftersom de är så intensiva att de mättar detektorer, och observationer inom galaxen är skymd av damm, rymdforskaren Kevin Hurley vid University of California, Berkeley, och ett internationellt team av astronomer har letat efter samma flammor i galaxer utanför vår egen för en klarare bild.

Den 45-åriga insatsen ger resultat. En kort gammastrålning som upptäcktes den 15 april förra året från en galax 11,4 miljoner ljusår bort visar en tydlig signatur som Hurley tror kan hjälpa astronomer att hitta magnetiska skurar lättare och slutligen samla in de data som behövs för att kontrollera de många teorier som förklarar magnetarer och deras gammastrålning bloss.

"Vi har fått vad vi tror är fyra fasta upptäckter sedan 1979 av extragalaktiska jättemagneter, två av dem nästan identiska utbrott från olika galaxer, sa Hurley, en senior rymdstipendiat vid UC Berkeleys Space Sciences Laboratory. "Det får oss att tro att det kan dyka upp en typ av mall som kommer att hjälpa oss att identifiera dem snabbare i framtiden. Min förhoppning är att takten nu kommer att öka eftersom vi vet mycket bättre vad vi letar efter. "

Hurley och tre kollegor kommer att rapportera GRB-upptäckten av olika amerikanska och europeiska satelliter och dess implikationer vid en mediebriefing på onsdag, 13 januari, vid American Astronomical Societys årsmöte och i tre tidningar som visas samtidigt i tidskrifterna Natur och Natur astronomi .

Jättemagneter brister

GRBs, de mest kraftfulla explosionerna i kosmos, kan detekteras över miljarder ljusår. De flesta av dem som varar mindre än cirka två sekunder, kallas korta GRB, uppstår när ett par kretsande neutronstjärnor spiralerar in i varandra och smälter samman. Astronomer bekräftade detta scenario för åtminstone några korta GRB:er 2017, när en explosion följde ankomsten av gravitationsvågor – krusningar i rum-tiden – som skapades när neutronstjärnor slogs samman 130 miljoner ljusår bort.

Men inte alla korta GRB:er passar neutronstjärnans sammanslagningsprofil, sa Hurley. Specifikt, av de 29 magnetarerna i vår Vintergatans galax som är kända för att uppvisa tillfällig röntgenaktivitet, två har producerat gigantiska bloss som skiljer sig från utbrotten från dessa sammanslagningar.

Den senaste av dessa upptäckter var den 27 december, 2004, en händelse som skapade mätbara förändringar i jordens övre atmosfär, trots att det utbröt från en magnetar placerad omkring 28, 000 ljusår bort.

Sedan slutet av 1970-talet, Hurley har drivit InterPlanetary Network (IPN), en 24/7 ansträngning att plöja igenom data från många rymdfarkoster – för närvarande fem, fånga cirka 325 gammaskurar per år – i hopp om att hitta fler gigantiska magneter. Det nätverket var nyckeln till att fånga den 15 april, 2020, blossa.

Strax före 04:42 EDT den onsdagen, en kort, kraftfull utbrott av röntgenstrålar och gammastrålar svepte förbi Mars, utlöser den ryska högenergineutrondetektorn ombord på NASA:s Mars Odyssey-rymdfarkost, som har kretsat runt planeten sedan 2001. Cirka 6,6 minuter senare, explosionen utlöste det ryska Konus-instrumentet ombord på NASA:s vindsatellit, som kretsar runt en punkt mellan jorden och solen som ligger cirka 930, 000 miles (1,5 miljoner kilometer) bort. Efter ytterligare 4,5 sekunder, strålningen passerade jorden, utlösande instrument på NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope och European Space Agencys INTEGRAL-satellit.

Analys av data från Burst Alert Telescope (BAT) på NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory gav ytterligare insikt om händelsen.

Dessa data visade att strålningspulsen varade bara 140 millisekunder, ett ögonblick.

Hurley och Dmitry Svinkin från Rysslands Ioffe-institut, en medlem av IPN-teamet, använde de ankomsttider som uppmätts av Fermi, Snabb, Vind, Mars Odyssey och INTEGRAL-uppdrag för att lokalisera platsen för explosionen den 15 april, kallas GRB 200415A, rakt i den centrala regionen av NGC 253, en ljus spiralgalax som ligger cirka 11,4 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Sculptor. Detta är den mest exakta himmelpositionen som hittills bestämts för en magnetar som ligger bortom det stora magellanska molnet, en satellit från vår galax och värd 1979 för det första jätteljus som någonsin upptäckts.

"Detta var den mest exakt lokaliserade magnetar utanför vår galax hittills, och vi har verkligen fäst det nu, inte bara till en galax, men en del av en galax där vi förväntar oss att stjärnbildning pågår, och stjärnor exploderar. Det är där supernovorna ska vara och magnetarerna, för, Hurley sa. "Eventet den 15 april är en spelförändring."

Blinkar från en fyr

De gigantiska blossarna som ses i Vintergatan ser lite annorlunda ut från de från närliggande galaxer på grund av avståndet. Astronomer har dokumenterat att gigantiska flammor från magnetarer i Vintergatan och dess satelliter utvecklas på ett distinkt sätt, med en snabb ökning till maximal ljusstyrka följt av en mer gradvis svans av fluktuerande emission. Dessa variationer beror på magnetarens rotation, som upprepade gånger för ut blossens läge in och ut ur sikte från jorden, ungefär som en fyr.

Att observera denna fluktuerande svans är avgörande bevis på en gigantisk flamma - en rykande pistol, sa Hurley. För magnetiska bloss miljontals ljusår bort, dock, detta utsläpp är för svagt för att upptäcka med dagens instrument. Av denna anledning, gigantiska bloss i vårt galaktiska grannskap kan förväxlas med mer avlägsna och kraftfulla GRB:er av fusionstyp.

De nya observationerna avslöjar flera pulser, med den första som dyker upp på bara 77 mikrosekunder – ungefär 13 gånger hastigheten för en kamerablixt och nästan 100 gånger snabbare än ökningen av de snabbaste GRB:erna som produceras av sammanslagningar.

"Kombinationen av stigtid och sönderfallstid, Vi tror, kanske visar oss en mall, eftersom vi har sett det förut - vi såg det redan 2005, med en annan händelse, nästan karbonkopian. Och energispektrumet för de två var också liknande, " sa Hurley.

Fermis Gamma-ray Burst Monitor upptäckte också snabba variationer i energi under loppet av flare som aldrig har observerats tidigare.

"Jättebloss i vår galax är så lysande att de överväldigar våra instrument, lämnar dem att hänga på sina hemligheter, " sa Oliver Roberts, en biträdande forskare vid Universities Space Research Associations Science and Technology Institute i Huntsville, Alabama, som ledde studien av Fermi-data. "För första gången, GRB 200415A och avlägsna flammor som den gör att våra instrument kan fånga alla funktioner och utforska dessa kraftfulla utbrott på ett oöverträffat djup."

Stjärnbävningar och återuppkoppling av magnetfält

Jättebloss är dåligt förstådda, men astronomer tror att de beror på en plötslig omarrangering av magnetarens magnetfält. En möjlighet är att fältet högt över ytan kan bli för vridet, släpper plötsligt energi när den sätter sig i en mer stabil konfiguration. Ett mekaniskt fel på magnetarskorpan - en stjärnbävning - kan utlösa den plötsliga omkonfigurationen.

"Tanken är att du har detta superstarka magnetfält som kommer ut från stjärnan, men förankrad i skorpan, och magnetfältet kan vrida sig, utövar tryck på skorpan. Skorpan har en elastisk gräns, och efter att du överskrider den elastiska gränsen, det knakar. Sedan, den sprickan skickar ut vågor in i magnetfältet, och de vågorna stör fältet, och du kan få återanslutning och energifrisättning och gammastrålar, " sa Hurley.

Roberts och hans kollegor säger att data visar vissa tecken på seismiska vibrationer under utbrottet. Forskarna säger att denna emission uppstod från ett moln av utstötta elektroner och positroner som rörde sig med ungefär 99 % av ljusets hastighet. Den korta varaktigheten av emissionen och dess ändrade ljusstyrka och energi återspeglar magnetarens rotation, rampa upp och ner som strålkastarna på en bil som svänger. Roberts beskriver det som att det började som en ogenomskinlig klump - han föreställer sig att den liknar en fotontorped från "Star Trek"-serien - som expanderar och diffunderar när den färdas.

Torpeden är också en av evenemangets största överraskningar. Röntgenstrålningen med högsta energi som registrerats av Gamma-Burst Monitor nådde 3 miljoner elektronvolt (MeV), eller ungefär 1 miljon gånger energin av blått ljus. Satellitens huvudinstrument, Large Area Telescope (LAT), detekterade också tre gammastrålar med energier på 480 MeV, 1,3 miljarder elektronvolt (GeV) och 1,7 GeV – det högsta energiljuset som någonsin detekterats från en magnetisk gigantisk flare. Vad som är förvånande är att alla dessa gammastrålar dök upp långt efter att blossen hade minskat i andra instrument.

Nicola Omodei, en senior forskare vid Stanford University, ledde LAT-teamet som undersökte dessa gammastrålar, som kom mellan 19 sekunder och 4,7 minuter efter huvudevenemanget. Forskarna drog slutsatsen att denna signal med största sannolikhet också kom från magnetflodet.

En magnetar producerar ett stadigt utflöde av snabbrörliga partiklar. När dessa partiklar rör sig genom rymden, de plöjer in i, sakta och avleda interstellär gas. Gasen hopar sig, blir upphettad och komprimerad, och bildar en typ av stötvåg som kallas en bågchock, som krusningarna framför en båt i rörelse.

I den modell som föreslagits av LAT-teamet, blossens initiala puls av gammastrålar färdas utåt med ljusets hastighet, följt av molnet av utstött materia, som går nästan lika snabbt. Efter flera dagar, de når båda bågchocken. Gammastrålarna passerar igenom. Sekunder senare, molnet av partiklar – nu expanderat till ett stort, tunt skal — kolliderar med ackumulerad gas vid bogchocken. Denna interaktion skapar chockvågor som accelererar partiklar, producerar gammastrålar med högsta energi efter huvudutbrottet.

Blossen den 15 april bevisar att evenemangen 2020 och 2004 utgör sin egen klass av GRB, sa Hurley.

"Några procent av korta GRB:er kan verkligen vara magnetiska gigantiska bloss, sa Eric Burns, en biträdande professor i fysik och astronomi vid Louisiana State University i Baton Rouge som ledde en studie som identifierade ytterligare extragalaktiska magnetmisstänkta. "Faktiskt, de kan vara de vanligaste högenergiutbrotten vi har upptäckt så långt bortom vår galax - ungefär fem gånger vanligare än supernovor."

Medan utbrott nära galaxen M81 2005 och Andromedagalaxen (M31) 2007 redan hade föreslagits vara gigantiska flammor, hans team identifierade ett nyligen rapporterat bloss i M83, sågs även 2007. Lägg till dessa jätteblossen från 1979 och de som observerades i vår Vintergatan 1998 och 2004.

"Det är ett litet prov, men vi har nu en bättre uppfattning om deras verkliga energier, och hur långt vi kan upptäcka dem, sa Burns, vars studie kommer att dyka upp senare i år i The Astrophysical Journal Letters .