Gammaglimt - Universets mest voldsomme eksplosioner – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Almanakken > Viden om Universet > Gammaglimt - Universet...

12. december 2013

Gammaglimt - Universets mest voldsomme eksplosioner

Af Johan P.U. Fynbo (Professor mso, Dark Cosmology Centre)

Gennem århundreder har mennesket betragtet stort set uforanderlige stjernebilleder på firmamentet. Det skyldes at en typisk stjerne som vor egen sol skinner i ca. 10 mia. år med kun meget små og meget langsomme ændringer i lysudsendelsen. Imidlertid er ikke alle stjerner så rolige og bestandige som Solen.

Kosmiske Eksplosioner

De tungeste stjerner lever kun nogle få millioner år, hvorefter de eksploderer i såkaldte supernova-eksplosioner. En lille brøkdel af disse i forvejen meget sjældne tunge stjerner forårsager endnu voldsommere eksplosioner: i løbet af meget kort tid - få sekunder til få minutter - udsender de en byge af energirig gammastråling ud i Universet. Andre lignende udbrud af gammastråling kommer, når to såkaldte neutronstjerner støder sammen. Disse voldsomme eksplosioner kaldes under ét Gammaglimt (på engelsk Gamma-Ray Bursts forkortet til GRBs). De er så kraftige at de mens de pågår overstråler alle himlens andre objekter der udsender gammastråling. På grund af deres enorme lysudsendelse kan gammaglimt, særligt dem der kommer fra eksploderende stjerner, ses på milliarder af lysårs afstand. Derfor er gammaglimt et særdeles nyttigt redskab til at studere Universets fjerneste afkroge.

Baggrund

På engelsk har man det interessante ord ”serendipity” som er blevet indført i det danske sprog som ”serendipitet”. Ordet betegner de situationer, hvor man opdager noget spændende som man egentlig ikke søgte efter. Opdagelsen af gammaglimt er et godt eksempel på serendipitet. Når jeg skal beskrive denne opdagelse kommer jeg også til at tænke på en af Johannes Møllehaves bøger : ”Skuffelser der ikke gik i opfyldelse”. Den dystre baggrund for opdagelsen af gammaglimt er den kolde krig. I løbet af 40erne og 50erne steg antallet af nukleare testeksplosioner drastisk. Disse inkluderede eksplosioner i atmosfæren og i havet. For at bremse våbenkapløbet og af frygt for radioaktivt nedfald blev NATO og Warszawa-pagten enige om at indstille prøvesprængninger i havet, i atmosfæren og i det ydre rum.

Galaksen i midten af det centrale panel er ”værtsgalaksen” for GRB130427A, d.v.s. den galakse i hvilken eksplosionen fandt sted. Det er en relativ lille og aktivt stjernedannende galakse. I panelerne til venstre kan man se zoom-in billeder af galaksen og eftergløden fra gammaglimtet (markeret med en pil) observeret med rumteleskopet i tre bånd: ultraviolet (F336W), synligt lys (F606W) og infrarødt lys (F160W). (Billedekredit: Andrew Levan)

Det såkaldte Partial Test Ban Treaty blev underskrevet i oktober 1963. Få dage senere opsendte USA den første af en række satellitter under navnet Vela – spansk for “på udkig” – der var designet til at detektere gammastråling fra disse nu forbudte prøvesprængninger. Vela-satellitterne opdagede ingen forbudte atombombeeksplosioner, men de  fandt stedet for pludselige udbrud af gammastråling fra andre steder i rummet. Vela-satellitterne kunne meget groft fastslå retningen til gammaglimtene og det blev v.h.a. positionsbestemmelser gradvist klart, at gammaglimtene ikke skyldtes menneskeskabte kilder og heller ikke kom fra Jorden, Solen, Månen eller nogen af planeterne. Den første videnskabelige artikel, der beskrev fænomenet blev publiceret i 1973. De næste mange år skete der kun små fremskridt i forståelsen af gammaglimt og deres oprindelse forblev et komplet mysterium. Den danske astronom Holger Pedersen ydede i denne periode en stor pionerindsats i forsøget på at finde oprindelsen til gammaglimt. Gennembruddet kom i 1997, hvor brikkerne pludseligt faldt på plads. Hvis man gerne vil læse en udførlig gennemgang af historien kan man finde den i bogen ”Dansk Astronomi i kikkerten”[1]. Her vil jeg blot belyse, hvad vi har lært med nogle eksempler fra 2013 som var et spændende år for studiet af gammaglimt.

Galaksen i midten af panelet til venstre er værtsgalaksen for GRB130603B. De to billeder til højre viser galaksen observeret 13. juni og 3. juli 2013, hhv. 10 dage og en måned efter eksplosionen. I billedet fra d. 13. juni kan man se en rød lyskilde (markeret med en pil) som menes at være en såkaldt kilonova. Kilonovaen dannes efter sammenstødet af de to neutronstjerner p.g.a. dannelsen af tunge grundstoffer (billedekredit: NASA, ESA, N. Tanvir (University of Leicester), A. Levan (University of Warwick), A. Fruchter (STScI), J. Hjorth (University of Copenhagen), R. Hounsell (STScI), K. Wiersema (University of Leicester), and R. Tunnicliffe (University of Warwick)).

Lange Gammaglimt illustreret ved GRB130427A

De gammaglimt, der kommer fra eksploderende stjerner kaldes ”lange gammaglimt” idet varigheden af disse glimt er længst – fra ca. 2 sekunder til op mod en time. Den 27. april 2013 registeredes et nyt gammaglimt i stjernebilledet Løven ca. kvart i ni om morgenen dansk tid. Dette glimt betegnes nu GRB130427A baseret på den engelske forkortelse, datoen samt det faktum, at dette var det først glimt den dag. Glimtet blev opdaget uafhængigt af flere satellitter, hvoraf særligt skal nævnes FERMI og Swift. FERMI er et gammastrålingsrumteleskop, der studerer en bred vifte af kosmiske fænomener i gammastråling. Denne satellit registrerede fra GRB130427A ekstrem kraftig og ekstrem energirig gammastråling. Satellitten Swift er dedikeret til studiet af gammaglimt og den er i stand til indenfor ca. et minut at måle meget præcise positioner for nye gammaglimt på himlen. Samtidig indsamler den observationer ikke bare af selve gammaglimtet, men også af den såkaldte efterglød, der kommer efter selve glimtet. Det var opdagelsen af denne efterglød, der medførte gennembruddet i studiet af gammaglimt i 1997. Eftergløden kan registreres fra kort efter glimtet og i mange dage i et meget bredt bølgelængdeområde fra radio til Röntgenstråling, Man mener i dag, at selve gammaglimtet kommer fra såkaldte shocks i materiale, der bevæger sig bort med hastighed tæt på lysets i en kegle langs rotationsaksen af den døende stjerne. Kollapset af stjernen har ledt til dannelsen af et meget kompakt objekt i centeret. Dette kan enten være et sort hul eller en neutronstjerne med meget kraftigt magnetfelt (en såkaldt magnetar). Eftergløden menes at komme, når denne kegle af hurtigt bevægende materiale rammer ind det omgivende materiale, f.eks. den gassky den døende stjerne blev dannet i. Figur 1 viser et billede af den galakse GRB130427A skete i. Det er en galakse med en for gammaglimt relative lille afstand (hvilket dog stadig er flere milliarder lysår) og der er derfor glimtet var så kraftigt. Efterfølgende har bl.a. danske astronomer studeret glimtet i stor detalje og har med det Nordisk Optiske Teleskop også fundet og studeret den supernova, der efterfulgte stjernens død.

Korte Gammaglimt illustreret ved GRB130603B

Gammaglimt med varighed kortere end ca. 2 sekunder kaldes ”korte gammaglimt”. Disse har en anden oprindelse end de lange gammaglimt fra eksploderende tunge stjerner. De korte glimt har vist sig langt vanskeligere at studere end de lange gammaglimt. Mens vi i dag har studeret hundredevis af lange gammaglimt i detalje, så har vi kun en håndful velundersøgte korte gammaglimt. Af disse er GRB1306063B, altså det andet gammaglimt fra d. 3. juni 2013 og i øvrigt også i stjernebilledet Løven, det mest interessante. Disse gammaglimt menes at komme fra binære stjerner, hvor begge stjerner er ”kompakte”, d.v.s. enten sorte huller, neutronstjerner eller hvide dværge som alle er slutprodukter fra stjerners død. Sådanne binære kompakte stjerner formodes at støde sammen, da de mister energi i banebevægelsen under udsendelsen af såkaldte gravitationelle bølger. Korte gammaglimt menes af blive efterfulgt af en såkaldt ”kilonova” som er et svagt glimt af optisk/infrarødt lys, der stammer fra dannelsen af tunge grundstoffer under sammenstødet. Fra GRB130603B blev der målt et efterfølgende signal, der faktiske passer med de (stadig meget usikre) forudsigelser for kilonovaer (Fig. 2). Vi har nu styrket grund til at tro, at de korte gammaglimt kommer fra kolliderende neutronstjerner.

Studiet af gammaglimt spiller en central rolle i dansk astronomisk forskning, særligt i Dark kosmologicenteret. Danske astronomer bruger det Nordisk Optiske Teleskop samt teleskoper ved det Europæiske Sydobservatorium i Chile til at studere eftergløden fra gammaglimt og derved opnå større indsigt i selve eksplosionerne og de galakser de finder sted i. Særligt er håbet at vi med gammaglimt kan finde de allerfjerneste og dermed de aller-tidligeste galakser, der dannedes efter Big Bang.


Forfattere: Allan Hornstrup, Anja C. Andersen, Christina Holstein-Rathlou, Gro Birkefeldt Møller Pedersen, Hans E. Jørgensen, Hans Kjeldsen, Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen, Haraldur Páll Gunnlaugsson, Helge Kragh, Henning Haack, Ib Lundgaard Rasmussen, Jens Hjorth, Johan P.U. Fynbo, Jørgen Christensen-Dalsgaard, Kristian Pedersen, Morten Bo Madsen, Niels Lund, Richard M. West, Signe Riemer-Sørensen, Søren E. Larsen