Fermi observeert een “verdwijnende” gammastraaluitbarsting in een supernova

Op 26 augustus 2020 detecteerde NASA’s Fermi Gamma Ray-ruimtetelescoop een puls van hoogenergetische straling die al bijna de helft van de levensduur van het huidige universum naar de aarde raast. Het duurde maar één seconde en het bleek een van de recordboeken te zijn – de kortste gammastraaluitbarsting (GRB) veroorzaakt door de dood van een massieve ster ooit gezien.

GRB’s zijn de krachtigste gebeurtenissen in het universum en kunnen over miljarden lichtjaren worden gedetecteerd. Astronomen classificeren het als lang of kort op basis van het feit of de gebeurtenis meer dan twee seconden of minder zal duren. Ze merken lange uitbarstingen op die gepaard gaan met massale ondergang sterren, terwijl korte uitbarstingen waren gekoppeld aan een ander scenario.

“We wisten al dat sommige GRB’s van massieve sterren konden worden geregistreerd als korte GRB’s, maar we dachten dat dit te wijten was aan nuttige beperkingen”, zegt Bin-bin Zhang van de Nanjing University in China en de University of Nevada in Las Vegas. -leefde, maar de andere kenmerken wijzen op de oorsprong van een instortende ster. Nu weten we dat stervende sterren kunnen produceren korte uitbarstingen, ook.”

Genoemd GRB 200826A, na de datum van zijn optreden, is de uitbarsting het onderwerp geweest van twee artikelen gepubliceerd in natuurlijke astronomie Maandag 26 juli. De eerste, onder leiding van Zhang, onderzoekt gammastralingsgegevens. De tweede, geleid door Thomas Ahomada, een doctoraalstudent aan de Universiteit van Maryland, College Park en NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, beschrijft het vervagen van de vervagende meerdere golflengten van de GRB-aurora’s en het opkomende licht van de daaropvolgende supernova explosie.

“Wij geloven dat deze gebeurtenis in feite een mislukking was, een gebeurtenis die op het punt stond helemaal niet te gebeuren”, zei Ahumada. “De explosie bracht echter 14 miljoen keer meer energie vrij dan de hele Melkweg in dezelfde periode, waardoor het een van de meest actieve korteafstands-GRB’s ooit is.”

Wanneer een ster die veel groter is dan de zon zonder brandstof komt te zitten, stort zijn kern plotseling in en vormt een zwart gat. Terwijl de materie naar het zwarte gat draait, ontsnapt een deel ervan in de vorm van twee krachtige jets die met bijna de lichtsnelheid in tegengestelde richtingen naar buiten schieten. Astronomen detecteren alleen een GRB als een van deze jets toevallig bijna direct naar de aarde wijst.

Elke jet stoot door de ster en produceert een puls van gammastraling – de hoogste vorm van energie – die tot minuten kan duren. Na de explosie breidt de verbrijzelde ster snel uit tot een supernova.

Aan de andere kant worden korte GRB’s gevormd wanneer paren compacte objecten – zoals neutronensterren, die zich ook vormen tijdens het instorten van sterren – in de loop van miljarden jaren naar binnen botsen. Recent hebben Fermi-waarnemingen geholpen om aan te tonen dat in nabije sterrenstelsels gigantische uitbarstingen van geïsoleerde neutronensterren en supermagnetische sterren zich ook voordoen als korte gammaflitsen.

GRB 200826A was een scherpe uitbarsting van hoge energie-emissies die slechts 0,65 seconden duurde. Na een aantal eonen door het uitdijende heelal te hebben gereisd, strekte het signaal zich uit tot ongeveer één seconde toen het werd gedetecteerd door het Fermi-instrument dat de gammaflits observeerde. Het evenement was ook te zien in instrumenten aan boord van NASA’s Wind-missie, die rond een punt tussen de aarde en de zon draait op ongeveer 930.000 mijl (1,5 miljoen kilometer) afstand, en Mars Odyssey, die sinds 2001 in een baan om de rode planeet draait. ESA (European Space Continuity) ) De INTEGRAL-satelliet van het bureau explodeerde ook.

Al deze missies nemen deel aan een GRB-positioneringssysteem genaamd het International Planetary Network (IPN), waarvoor het Fermi-project alle Amerikaanse financiering verstrekt. Omdat de plons elke detector op enigszins verschillende tijdstippen bereikt, kan elk paar ervan worden gebruikt om te helpen bepalen waar in de lucht het voorkomt. Ongeveer 17 uur na de GRB vernauwde de IPN zijn positie tot een relatief klein stukje lucht in het sterrenbeeld Andromeda.

Met behulp van de door de National Science Foundation gefinancierde Zwicky Transit Facility (ZTF) van het Palomar Observatory, heeft het team de lucht gescand op veranderingen in zichtbaar licht die verband kunnen houden met de vervagende GRB-aurora’s.

“Dit onderzoek doen is als proberen een speld in een hooiberg te vinden, maar IPN helpt de hooiberg te verkleinen”, zegt Shreya Anand, een afgestudeerde student aan Caltech en co-auteur van de Twilight-paper. “Van de meer dan 28.000 ZTF-waarschuwingen op de eerste nacht voldeed er slechts één aan al onze zoekcriteria en verscheen ook in het door IPN gedefinieerde luchtgebied.”

Binnen een dag na de explosie ontdekte NASA’s Neil Gehrells Swift Observatory een vervagende röntgenstraling vanaf dezelfde locatie. Twee dagen later werd een variabele radio-emissie gedetecteerd door de Karl Jansky Very Large Array van het National Astronomy Radio Observatory in New Mexico. Het team begon toen de aurora te observeren met een verscheidenheid aan grondfaciliteiten.

Door het zwakke sterrenstelsel te observeren dat bij de explosie was betrokken met behulp van de Gran Telescopio Canarias, een 10,4-meter telescoop van het Roque de los Muchachos Observatorium op La Palma op de Spaanse Canarische Eilanden, toonde het team aan dat het licht ervan 6,6 miljard jaar nodig heeft om ons te bereiken. Dit vertegenwoordigt 48% van de huidige leeftijd van 13,8 miljard jaar van het universum.

Maar om te bewijzen dat deze korte burst afkomstig was van de ineenstorting van een ster, moesten de onderzoekers ook de opkomende supernova vastleggen.

“Als de explosie werd veroorzaakt door de ineenstorting van een ster, zou het, zodra de daaropvolgende aurora vervaagt, weer moeten oplichten als gevolg van de primaire supernova-explosie”, zegt Leo Singer, een astrofysicus bij Goddard en adviseur van Ahumada-onderzoek. “Maar op deze afstanden heb je een zeer grote, zeer gevoelige telescoop nodig om het lichtpunt van de supernova te vangen van de achtergrondschittering van het gaststelsel.”

Om het onderzoek uit te voeren, kreeg Singer tijd op de 8,1-meter Gemini North Telescope in Hawaii en met behulp van een gevoelig instrument genaamd de Gemini Multi-Object Spectrometer. Astronomen hebben het gaststelsel in beeld gebracht in rood en infrarood licht, beginnend 28 dagen na de explosie, en de zoektocht 45 en 80 dagen na de gebeurtenis herhaald. Ze ontdekten een nabij-infraroodbron – een supernova – in de eerste reeks waarnemingen die bij latere waarnemingen niet te zien is.

De onderzoekers denken dat deze explosie werd aangedreven door jets die net de ster verlieten voordat ze werden afgesloten, in plaats van het meer gebruikelijke geval waarbij langdurige jets uit de ster losbarsten en lange afstanden afleggen. Als het zwarte gat zwakkere stralen uitzond, of als de ster veel groter was toen hij begon in te storten, was er misschien helemaal geen GRB.

Deze ontdekking helpt bij het oplossen van een al lang bestaand mysterie. Hoewel lange GRB’s geassocieerd moeten worden met supernova’s, ontdekken astronomen veel grotere aantallen supernova’s dan lange. Deze discrepantie blijft bestaan, zelfs als we er rekening mee houden dat de GRB’s dicht bij onze gezichtslijn moeten komen zodat astronomen ze überhaupt kunnen detecteren.

De onderzoekers concluderen dat instortende sterren die korte GRB’s produceren, randstaten moeten zijn waarin lichtsnelheidsstralen oscilleren op de rand van succes of falen, een conclusie die consistent is met het idee dat de meeste grote sterren Het sterft zonder vliegtuigen en GRB’s te produceren. Meer in het algemeen toont dit resultaat duidelijk aan dat de duur van de burst alleen niet op unieke wijze de bron aangeeft.