Varpa nýju ljósi á orkumestu sprengingar alheimsins | Háskóli Íslands Skip to main content

Varpa nýju ljósi á orkumestu sprengingar alheimsins

""

Stór alþjóðlegur hópur stjarnvísindamanna, þar á meðal við Háskóla Íslands, hefur varpað nýju ljósi á ferlana á bak við orkumestu sprengingar í alheiminum, svokallaða gammablossa. Uppgötvanirnar voru gerðar í kjölfar þess að stjörnusjónaukar námu nýverið hæstu orku ljóss sem mælst hefur frá tveimur gammablossum.

Gammablossar eru björtustu og orkumestu sprengingar í alheimi og hafa verið þekktir í nærri hálfa öld. Þeir eiga oftast rætur að rekja til þess þegar massamiklar stjörnur, margfalt stærri en sólin okkar, falla saman og mynda svarthol. Um leið senda stjörnurnar frá sér kraftmikla bunu af ögnum á ljóshraða út í geiminn sem mynda gammageisla, orkumesta form ljóss, en alla jafna varir þetta ferli í mjög stutta stund, innan við mínútu. 

Þegar áðurnefndar agnir halda áfram út geiminn komast þær í snertingu við gas og senda þá frá sér ljós sem spannar allt litrófið, allt frá útvarpsbylgjum til háorku gammageisla. Þetta fyrirbrigði hefur verið nefnt glæður (e. afterglow) og er hægt að nema það mörgum dögum og jafnvel mánuðum og árum eftir upphaflegu sprenginguna. Flestar uppgötvanir sem gerðar hafa verið á gammablossum á undanförnum árum má rekja til rannsókna á glæðum þeirra.

Vegna mikillar birtu sinnar er ljós frá gammablossum í fjarlægum stjörnuþokum auðveldlega mælanlegt frá Jörðinni. Oft er birta þessara stjörnuþoka það dauf að ljós þeirra hefur ekki mælst áður, en með stórum stjörnusjónaukum er stundum hægt að greina þær. Slíkar mælingar væru alltof kostnaðarsamar ef ekki væri fyrir tilvist gammablossa. Auk þess myndast þeir við endalok massmikilla stjarna og mælingar á þeim má nota til að meta stjörnumyndunarsögu alheims á óháðan hátt.  

Frekari upplýsingar um gammablossa og sögu þeirra má fá í grein á Stjörnufræðivefnum

Hubble-sjónaukinn náði í febrúar og mars 2019 myndum af glæðum orkumesta gammablossa sem mælst hefur (sem fékk nafnið GRB 190114C) og stjörnuþokunni þar sem blossinn varð. Blái liturinn í kringum kjarna blossans gefur til kynna að þar séu heitar ungar stjörnur sem aftur bendir til að um þyrilstjörnuþoku sé að ræða sem er svipuð stjörnuþokunni sem Jörðin tilheyrir. Þyrilstjörnuþokan er í um 4,5 milljarða ljósára fjarlægð í stjörnumerkinu Ofninum (Fornax).  Mynd: NASA, ESA, and V. Acciari et al. 2019

stjörnuþoka

Námu orkumestu gammageisla sem mælst hafa

Ákveðin þáttaskil hafa nú orðið í rannsóknum á gammablossum og má rekja það til þess að vísindamenn hafa numið mjög orkumikla gammageisla frá tveimur gammablossum á síðustu misserum. Sagt er frá þessum uppgötvunum í alls fjórum vísindagreinum sem birtar eru í dag í virtum vísindatímaritum, þar á meðal í hinu vel þekkta tímariti Nature.

Annars vegar námu tvö gervitungl NASA, Fermi-gammageislasjónaukinn og Neil Gehrels Swift stjörnuathugunarstöðin, mikinn gammablossa í upphafi árs 2019 og sendu strax út tilkynningu. Meðal sjónauka sem fylgdu mælingunum eftir var MAGIC-sjónaukinn sem er staðsettur á Kanaríeyjum. Mælingar og úrvinnsla gagna í framhaldinu sýndu að um var að ræða orkumestu gammageisla frá gammablossum sem mælst hafa frá upphafi. Til þess að gefa hugmynd um orkuna í geislunum má benda á að orka ljóss er alla jafna mæld með mælieiningunni rafeindavoltum. Ljós sýnilegt mönnum er á bilinu 2-3 rafeindavolt en áðurnefndir gammageislar reyndust nærri trilljón rafeindavolt. Það er tíu sinnum meiri orka en mælst hefur áður í gammablossa. Nánari rannsóknir leiddu í ljós að gammablossinn átti uppruna sinn í svokallaðri þyrilstjörnuþoku í 4,5 milljarða ljósára fjarlægð frá jörðinni. 

Hins vegar námu Fermi-sjónaukinn og Swift-stöðin einnig orkumikla gammageisla um mitt ár 2018 og sendu þá einnig út tilkynningu. Í þetta skiptið fylgdi sjónaukinn HESS, sem staðsettur er í Suður-Afríku, mælingunum eftir. Rannsóknir og útreikningar í framhaldinu leiddu í ljós að gammageislarnir reyndust allt að 440 gígarafeindavolt og teljast því næstorkumestu gammageislar sem mælst hafa frá gammablossa.

Stór hópur vísindamanna beggja vegna Atlantshafsins kom að rannsóknunum en þeirra á meðal eru Guðlaugur Jóhannesson, fræðimaður í stjarneðlisfræði við Raunvísindastofnun Háskólans og Norrænu stofnunina í kennilegri eðlisfræði (NORDITA) í Stokkhólmi og Páll Jakobsson, prófessor við Raunvísindadeild. Páll hefur um árabil sinnt rannsóknum á gammablossum og Guðlaugur hefur í meira en áratug unnið við mælingar og túlkanir mælinga á háorku gammageislum og geimgeislum og verið þar í fremstu röð. 

„Nýju mælingarnar veita mikilvæga innsýn í þau eðlisfræðilegu ferli sem liggja að baki myndun gammablossa og þróun glæðanna. Til þessa hefur verið talið að svokölluð samhraðalgeislun valdi allri geislun frá glæðunum en nýju mælingarnar staðfesta að öfug Compton hrif eru einnig mikilvæg í myndun ljóssins. Í öfugum Compton hrifum rekast orkumiklar rafeindir á ljóseindir og hluti af orku rafeindarinnar færist yfir á ljóseindina. Mælingarnar eru líka mikilvægar til að meta magn þeirrar orku sem losnar í sprengingunni sem veldur gammablossanum,“ segir Guðlaugur enn fremur um þýðingu rannsóknanna.

Grein í Astrophysical Journal 
Grein tengd uppgötvun í HESS-sjónaukanum í Nature
Grein tengd uppgötvun í MAGIC-sjónaukanum í Nature
Þriðja greinin í Nature tengd uppgötvununum

Guðlaugur Jóhannesson og Páll Jakobsson