16. januar 2019

Ned i maskinrummet på et gammaglimt

Universet i glimt

Forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet har spillet en central rolle i analysen af et af de ”allernærmeste gammaglimt, vi nogensinde har set”. Opdagelsen er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature, og den har givet værdifulde oplysninger om, hvordan gammaglimt dannes.

Jonatan Selsing modtager jævnligt sms’er, som handler om hændelser i rummet. ’Bip’, siger hans mobiltelefon på alle mulige tidspunkter af døgnet - så er der tikket endnu en besked om et gammaglimt ind - og hver gang er spørgsmålet: Skal der reageres på underretningen? - som i virkeligheden er et signal fra en stor stjerne, der døde langt ude i universet for ur-mange år siden.

Illustration af udviklingstrinnene i en døende stjerne til gammaglimtet opstår. Kreditering: National Science Foundation
Illustration af udviklingstrinnene i en døende stjerne til
gammaglimtet opstår.
Kreditering: National Science Foundation

Gammaglimt – et lysstærkt signal fra rummet

”Gammaglimt er det mest lysstærke fænomen, vi kender - et enkelt glimt kan være så lysstærkt, at det kan lyse lige så meget som alle stjerner i universet tilsammen. Og samtidig er gammaglimt – som typisk varer et par sekunder - et af de bedste værktøjer, vi har, når det gælder om at få informationer om det tidligste univers”, forklarer Jonatan Selsing. Han er astronom og postdoc ved Cosmic Dawn Center på Niels Bohr Institutet i København og en af de cirka 100 astronomer i et verdensomspændende alarmberedskab, hvis hovedfunktion er at kunne mobilisere alle observationsressourcer, når gammaglimt-alarmen går.

Der skal reageres hurtigt, når et gammaglimt registreres

Alarmen svæver i virkeligheden rundt ude i rummet på det internationale Swift-teleskop, der siden 2004 har været i kredsløb om Jorden. Teleskopets opgave er at registrere gammaglimt (gamma-ray burst, GRB), og Swift er i stand til konstant at holde øje med en tredjedel af nattehimlen. Når det registrerer et gammaglimt – og det sker i gennemsnit et par gange om ugen - sender det fluks en sms til de 100 astronomer om, hvor i rummet det er observeret. Og så skal den astronom, der lige nu er vagthavende, træffe en hurtig beslutning:
Er der tale om et gammaglimt, som må antages at være så vigtigt, at man skal bede VLT-teleskopet i Chile om straks at se nærmere på det? Eller skal man blot notere underretningen som noget rent rutinemæssigt, man ikke behøver at gøre mere ved?
Da alarmen gik 5. december 2017 lige omkring klokken 09 om morgenen dansk tid, havde den italienske astronom Luca Izzo vagten. Og Izzo var ikke i tvivl: Han underrettede øjeblikkeligt VLT – der står for Very Large Telescope, og drives at 11 europæiske lande, heriblandt Tyskland, Storbritannien, Frankrig, Italien, Sverige og Danmark.

På det tidspunkt var klokken cirka 05 om morgenen i Chile, og daggryet nærmede sig hastigt, fortæller Jonatan Selsing: ”Skulle VLT nå at se nærmere på gammaglimtet – og det kan teleskopet kun gøre med nattehimlen som baggrund – skulle der altså ageres hurtigt. Og det blev der, heldigvis. Vi skal som astronomer være der, når universet gennemfører spændende eksperimenter”.

Derfor er Luca Izzo førsteforfatter på den videnskabelige artikel om dette gammaglimt, som netop er udkommet i Nature, et af verdens mest indflydelsesrige videnskabelige tidsskrifter. Og når historien har fundet vej til Natures spalter er forklaringen, at de senere analyser af VLT-optagelserne viste, at gammaglimtet på flere måder er usædvanligt:

”Det er for eksempel et af de allernærmeste gammaglimt, vi nogensinde har observeret. For GRB171205A - som nu er glimtets officielle betegnelse – opstod for blot 500 mio. år siden, og har derefter bredt sig i rummet med lysets hastighed, altså med 300.000 km pr. sekund”, siger Jonatan Selsing. Der sammen med en række kolleger på Niels Bohr Institutet har bidraget til den videnskabelige artikel i Nature med en analyse, som populært sagt giver ”et kig ned i maskinrummet på et gammaglimt”.

Et gammaglimt er resultatet af voldsomme begivenheder

Når en stor stjerne - der drejer meget hurtigt rundt - dør, kan dens kerne falde sammen og lave et såkaldt sort hul. En sådan stjerne kan være op til 300 gange tungere end Solen, og i dens kerne omdannes lette grundstoffer til tungere grundstoffer – sådan er den centrale forbrændingsproces og energikilde i alle stjerner.

De askeprodukter, der opstår fra forbrændingsprocessen, kan imidlertid blive så tunge, at stjernen ikke længere kan bære sig selv – og det er derfor, den til sidst kollapser. Når det sker, falder dens ydre lag gradvist ind mod midten – ind mod det sorte hul – hvor der dannes en skive.

På grund af stjernens rotation vil denne skive fungere som en kæmpedynamo, der laver et gigantisk magnetfelt - som sender to stråler væk fra det sorte hul. Det sker med en hastighed, som nærmer sig lysets, og det materiale, som på denne måde spyes ud af den døende stjerne, lyser med en ekstrem styrke. Det er dette lys, der er selve gammaglimtet – og det materiale fra stjernens indre, som på denne måde slipper ud, frisættes i form af en såkaldt strålepuppe.

Gammaglimtet bekræfter vores antagelser om de grundstoffer, stjerner danner

”Det unikke ved GRB171205A er, at vi her har kunnet måle hvilke grundstoffer, der for 500 millioner år siden slap ud sammen med puppen. Det er de målinger, vi her på Niels Bohr Institutet har stået for”, forklarer Jonatan Selsing.

Disse målinger er udført via X-shooter, et superfølsomt udstyr monteret på VLT-teleskopet.
Og X-shooter kunne ved at nærstudere VLT-optagelserne af gammaglimtet via en billedanalyse afgøre, at strålepuppen indeholdt jern, kobolt og nikkel, der var dannet i midten af stjernen, fortæller Jonatan Selsing:

”Det svarer til, hvad vi teoretisk ville forvente – og bekræfter på den måde vores model for et kollaps af en stjerne af denne type. Noget andet er imidlertid at kunne fastslå, at det rent faktisk forholdt sig således. Det er lige præcis der, man kan tale om, at man får et kig ned i maskinrummet”.

Arbejdet er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature, og de danske medforfattere er Jonatan Selsing, Johan Fynbo, Jens Hjorth, Daniele Malesani fra Niels Bohr Institutet, Giorgos Leloudas fra Danmarks Tekniske Universitet og Kasper Heintz fra University of Iceland.

Læs den videnskabelige artikel i tidsskriftet Nature.