De mest kraftfulla händelserna i det kända universum – gammastrålningskurar (GRB) – är kortlivade utbrott av ljuset med högsta energi. De kan få utbrott med en kvintiljon (en 10 följt av 18 nollor) gånger vår sols ljusstyrka. Tänkte nu tillkännage födelsen av nya svarta hål, de upptäcktes av en slump.
Bakgrunden tar oss till 1963, när det amerikanska flygvapnet lanserade Vela-satelliterna för att upptäcka gammastrålar från förbjudna kärnvapenprov. USA hade precis undertecknat ett avtal med Storbritannien och Sovjetunionen för att förbjuda tester i jordens atmosfär, och Vela-satelliterna säkerställde att alla parter följde efterlevnaden. Istället snubblade satelliterna över 16 gammastrålningshändelser.
År 1973 kunde forskare utesluta att både jorden och solen var källorna till dessa lysande utbrott. Det var då astronomer vid Los Alamos National Laboratory publicerade det första dokumentet som tillkännagav att dessa utbrott har sitt ursprung utanför vårt solsystem.
Forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center bekräftade snabbt resultaten genom en röntgendetektor på IMP 6-satelliten. Det skulle ta ytterligare två decennier och bidrag från den italienska rymdorganisationens BeppoSax och NASA:s Compton Gamma-Ray-observatorium för att visa att dessa utbrott inträffar långt bortom vår Vintergatans galax, är jämnt fördelade över himlen och är utomordentligt kraftfulla. Den närmaste GRB som har registrerats inträffade mer än 100 miljoner ljusår bort.
Även om de upptäckts av en slump, har GRB visat sig vara ovärderliga för dagens forskare. Dessa ljusblixtar är rika på insikter om fenomen som slutet på livet för mycket massiva stjärnor eller bildandet av svarta hål i avlägsna galaxer.
Ändå finns det massor av vetenskapliga pärlor kvar att upptäcka. Under 2017 kopplades GRB först till gravitationsvågor – krusningar i rymdtidens struktur – vilket styrde oss mot en bättre förståelse av hur dessa händelser fungerar.
Astronomer delar upp GRB:er i två huvudklasser:korta (där den initiala skuren av gammastrålar varar mindre än två sekunder) och långa händelser (varar i två sekunder eller längre).
Kortare utbrott producerar också färre gammastrålar totalt sett, vilket får forskare att anta att de två klasserna härstammar från olika stamfadersystem.
Astronomer associerar nu korta skurar med kollisionen av antingen två neutronstjärnor eller en neutronstjärna och ett svart hål, vilket resulterar i ett svart hål och en kortlivad explosion. Korta GRB:er följs ibland av kilonovaer, ljus som produceras av radioaktivt sönderfall av kemiska grundämnen. Det förfallet genererar ännu tyngre element, som guld, silver och platina.
Långa skurar är kopplade till massiva stjärnors explosiva dödsfall. När en stjärna med hög massa får slut på kärnbränsle kollapsar dess kärna och backar sedan, vilket driver en stötvåg utåt genom stjärnan. Astronomer ser denna explosion som en supernova. Kärnan kan bilda antingen en neutronstjärna eller ett svart hål.
I båda klasserna strålar det nyfödda svarta hålet jetstrålar i motsatta riktningar. Strålarna, gjorda av partiklar som accelereras till nära ljusets hastighet, tränger igenom och interagerar så småningom med det omgivande materialet och avger gammastrålar när de gör det.
Denna stora beskrivning är dock inte sista ordet. Ju mer GRBs astronomer studerar, desto mer sannolikt kommer de att stöta på händelser som utmanar nuvarande klassificeringar.
I augusti 2020 spårade NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop en andra lång skur vid namn GRB 200826A, mer än 6 miljarder ljusår bort. Det borde ha fallit inom kortskursklassen, utlöst av sammanslagningar av kompakta objekt.
Andra egenskaper hos denna händelse – som supernovan den skapade – tydde dock på att den härrörde från kollapsen av en massiv stjärna. Astronomer tror att den här skuren kan ha försvunnit innan den kunde nå den varaktighet som är typisk för långa skurar.
Fermi och NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory fångade sitt motsatta nummer, GRB 211211A i december 2021. Beläget en miljard ljusår bort, varade explosionen i ungefär en minut. Även om detta gör den till en lång GRB, följdes den av en kilonova, vilket tyder på att den utlöstes av en sammanslagning. Vissa forskare tillskriver denna utbrotts konstigheter till en neutronstjärna som smälter samman med en svart hålspartner.
När astronomer upptäcker fler skurar som varar i flera timmar, kan det fortfarande finnas en ny klass i vardande:Ultralånga GRB. Energin som skapas av en storstjärnas död kan sannolikt inte uthärda en explosion så länge, så forskare måste leta efter olika ursprung.
Vissa tror att ultralånga skurar uppstår från nyfödda magnetarer - neutronstjärnor med snabba rotationshastigheter och magnetiska fält som är tusen gånger starkare än genomsnittet. Andra säger att denna nya klass kräver kraften hos universums största stjärninvånare, blå superjättar. Forskare fortsätter att utforska ultralånga GRB.
Medan gammastrålar är den mest energiska formen av ljus, är de verkligen inte de lättaste att upptäcka. Våra ögon ser bara ett smalt band av det elektromagnetiska spektrumet. Att studera allt ljus utanför detta område, som gammastrålar, hänger hårt på de instrument som våra forskare och ingenjörer utvecklar. Detta behov av teknik, vid sidan av GRB:s redan flyktiga natur, gjorde utbrott svårare att studera under de första åren.
GRB-efterglöd uppstår när material i strålarna interagerar med omgivande gas.
Efterglöd sänder ut radio, infraröd, optisk, UV, röntgen, samt gammastrålning, vilket ger mer information om den ursprungliga skuren. Efterglöden finns också kvar i timmar till dagar (eller till och med år) längre än den ursprungliga explosionen, vilket skapar fler möjligheter för upptäckt.
Att studera efterglöd blev nyckeln till att härleda drivkrafterna bakom olika utbrott. I långa skurar, när efterskenet dämpas, ser forskare så småningom källan ljusna igen när den underliggande supernovan blir detekterbar.
Även om ljus är universums snabbaste resenär, kan det inte nå oss omedelbart. När vi upptäcker en explosion kan det ha gått miljontals till miljarder år, vilket gör att vi kan undersöka en del av det tidiga universum genom avlägsna efterglöd.
Trots den omfattande forskning som hittills genomförts är vår förståelse av GRB långt ifrån komplett. Varje ny upptäckt lägger till nya aspekter till forskarnas modeller för gammastrålning.
Fermi och Swift upptäckte en av dessa revolutionerande händelser 2022 med GRB 221009A, en skur så ljus att den tillfälligt förblindade de flesta rymdbaserade gammastrålinstrument. En GRB av denna storleksordning förutspås inträffa en gång vart 10 000:e år, vilket gör det troligen till den händelse med högsta ljusstyrka som den mänskliga civilisationen bevittnat. Astronomer kallade den därför den ljusaste genom tiderna – eller BÅTEN.
Detta är en av de närmaste långa explosioner som någonsin setts vid tidpunkten för upptäckten, och erbjuder forskare en närmare titt på de inre funktionerna hos inte bara GRB, utan också strukturen hos Vintergatan. Genom att titta in i BÅTEN har de upptäckt radiovågor som saknas i andra modeller och spårat röntgenreflektioner för att kartlägga vår galaxs dolda dammmoln.
GRB:er kopplar oss också till en av universums mest eftertraktade budbärare. Gravitationsvågor är osynliga förvrängningar av rum-tid, födda från katastrofala händelser som kollisioner med neutronstjärnor. Tänk på rum-tid som universums allomfattande täcke, med gravitationsvågor som krusningar som sveper genom materialet.
Under 2017 upptäckte Fermi gammastrålningsblixten från en neutron-stjärna sammanslagning bara 1,7 sekunder efter att gravitationsvågor detekterades från samma källa. Efter att ha färdats 130 miljoner ljusår nådde gravitationsvågorna jorden snävt före gammastrålningen, vilket bevisade att gravitationsvågor färdas med ljusets hastighet.
Forskare hade aldrig upptäckt ljus och gravitationsvågors gemensamma resa hela vägen till jorden. Dessa budbärare tillsammans målar upp en mer levande bild av sammanslagna neutronstjärnor.
Med fortsatt forskning kan vår ständigt utvecklande kunskap om GRB:er reda ut det osynliga tyget i vårt universum. Men själva explosionen är bara toppen av isberget. En oändlig mängd information skymtar precis under ytan, redo för skörden.
Tillhandahålls av NASA
