Ett internationellt team av forskare, ledd av astrofysiker från University of Bath i Storbritannien, har mätt magnetfältet i en fjärran gammastrålning, bekräftar för första gången en decennier lång teoretisk förutsägelse – att magnetfältet i dessa sprängvågor blir förvrängt efter att det utstötta materialet kraschar in i, och chocker, det omgivande mediet.

Svarta hål bildas när massiva stjärnor (minst 40 gånger större än vår sol) dör i en katastrofal explosion som driver en sprängvåg. Dessa extremt energiska händelser driver ut material med hastigheter nära ljusets hastighet, och kraft ljus, kortlivade gammablixtar som kan upptäckas av satelliter som kretsar runt jorden - därav deras namn, Gammastrålningskurar (GRB).

Magnetiska fält kan träs genom det utsprutade materialet och, när det snurrande svarta hålet bildas, dessa magnetiska fält vrider sig till korkskruvsformer som tros fokusera och accelerera det utstötade materialet.

Magnetfälten kan inte ses direkt, men deras signatur är kodad i ljuset som produceras av laddade partiklar (elektroner) som susar runt magnetfältslinjerna. Jordbundna teleskop fångar detta ljus, som har rest i miljontals år över universum.

Chef för astrofysik vid Bath och gammastrålningsexpert professor Carole Mundell, sa:"Vi mätte en speciell egenskap hos ljuset – polarisationen – för att direkt undersöka de fysiska egenskaperna hos magnetfältet som driver explosionen. Detta är ett fantastiskt resultat och löser ett långvarigt pussel av dessa extrema kosmiska explosioner – ett pussel I' har studerat länge."

Fångar ljuset tidigt

Utmaningen är att fånga ljuset så snart som möjligt efter en explosion och avkoda explosionens fysik, förutsägelsen är att alla urmagnetiska fält till slut kommer att förstöras när den expanderande stötfronten kolliderar med det omgivande stjärnskräpet.

Denna modell förutsäger ljus med höga nivåer av polarisation (> 10 %) strax efter explosionen när det storskaliga urfältet fortfarande är intakt och driver utflödet. Senare, ljuset bör vara mestadels opolariserat eftersom fältet är förvrängt i kollisionen.

Mundells team var först med att upptäcka högpolariserat ljus minuter efter explosionen som bekräftade förekomsten av urfält med storskalig struktur. Men bilden för expanderande framåtstötar har visat sig mer kontroversiell.

Lag som observerade GRBs i långsammare tid - timmar till en dag efter en explosion - fann låg polarisering och drog slutsatsen att fälten för länge sedan hade förstörts, men kunde inte säga när eller hur. I kontrast, ett team av japanska astronomer tillkännagav en spännande upptäckt av 10 % polariserat ljus i en GRB, vilket de tolkade som en polariserad framåtstöt med långvariga ordnade magnetfält.

Huvudförfattare till den nya studien, Bath Ph.D. student Nuria Jordana-Mitjans, sa:"Dessa sällsynta observationer var svåra att jämföra, eftersom de undersökte mycket olika tidsskalor och fysik. Det fanns inget sätt att förena dem i standardmodellen."

Mysteriet förblev olöst i över ett decennium, fram till Bath-teamets analys av GRB 141220A.

I den nya tidningen, publiceras idag i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , Professor Mundells team rapporterar upptäckten av mycket låg polarisation i framåtstötljus som upptäcktes bara 90 sekunder efter sprängningen av GRB 141220A. De supersnabba observationerna möjliggjordes av teamets intelligenta programvara på det helt autonoma robotiserade Liverpool-teleskopet och den nya RINGO3-polarimetern – instrumentet som loggade GRB:s färg, ljusstyrka, polarisering och blekningshastighet. Att sammanställa dessa uppgifter, laget kunde bevisa att:

• Ljuset har sitt ursprung i den främre stöten.
• Magnetfältets längdskalor var mycket mindre än vad det japanska laget drog slutsatsen.
• Explosionen drevs sannolikt av kollapsen av ordnade magnetfält under de första ögonblicken av bildandet av ett nytt svart hål.
• Den mystiska upptäckten av polarisering av det japanska teamet kunde förklaras av ett bidrag av polariserat ljus från det ursprungliga magnetfältet innan det förstördes i chocken.

Jordana-Mitjans sa:"Denna nya studie bygger på vår forskning som har visat att de mest kraftfulla GRB:erna kan drivas av storskaliga ordnade magnetfält, men bara de snabbaste teleskopen kommer att få en glimt av sin karakteristiska polarisationssignal innan de går förlorade för explosionen."

Professor Mundell tillade:"Vi måste nu tänja på teknikens gränser för att undersöka de tidigaste ögonblicken av dessa sprängningar, fånga statistiskt signifikanta antal skurar för polarisationsstudier och sätta vår forskning i det bredare sammanhanget av realtidsuppföljning av multibudbärare av det extrema universum."