Mystisk gammaglimt forbløffer astronomer: »Hvad sker der?«

En decemberdag i 2021 sad astronom Daniele Bjørn Malesani i sin lejlighed i København, da han fik en notifikation på sin telefon: To amerikanske satellitter, Swift og Fermi, havde opdaget et kraftigt gammaglimt – voldsomme udbrud af gammastråling fra rummet.

Opdagelsen af et gammaglimt er i sig selv ikke banebrydende, men Daniele Bjørn Malesani sørgede alligevel for at få et teleskop til at pege i retning af begivenheden.

’The Nordic Optical Telescope’ står på et bjerg på de kanariske øer, men fra sin computer i stuen i København kunne Daniele Bjørn Malesani kontrollere teleskopet og følge dets observationer af gammaglimtet næsten live.

»Det hele så mærkeligt ud. Det gav ingen mening i forhold til alt det, vi ved om, hvordan gammaglimt opfører sig. Jeg var forvirret, og tænkte ’hvad er det, der sker?’« husker Daniele Bjørn Malesani, som er gæsteforsker på Cosmic Dawn Centret ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Han er medforfatter på to ud af fem nye studier, som nu offentliggør fundet af det mystiske og forvirrende gammaglimt, og som publiceres i det anerkendte tidsskrift Nature (her og her) og Nature Astronomy (her, her og her).

Bedste teleskoper så gammaglimt

Mens Daniele Bjørn Malesani observerede eftergløden fra det mærkelige gammaglimt, gjorde andre forskere rundt omkring i verden det samme.

I løbet af de næste dage og måneder kom nogle af verdens bedste teleskoper såsom Gemini-teleskopet i Hawaii og rumteleskopet Hubble også på banen.

»Alene det, at så mange af verdens bedste teleskoper bliver rettet mod den samme begivenhed, er med til at illustrere, at de har fat i et usædvanligt fund,« fortæller Niels Lund, som er lektor emeritus på DTU Space og selv har arbejdet med gammaglimt i årtier.

Siden har forskerne brugt månedsvis på at granske og fortolke data fra de mange teleskoper.

Og de er nået frem til, at deres fund har vigtig betydning for hele forståelsen af gammaglimt og for, hvordan metaller såsom guld og bly bliver skabt.

Skaber guld, bly og andre tunge stoffer

»Det er vigtigt, fordi vi har fundet en ny mekanisme til at producere tunge grundstoffer såsom guld og uran ude i rummet,« siger Eleonora Troja, som er førsteforfatter til et af Nature-studierne om det nye fund.

»Det viser os, at universet aldrig holder op med at overraske os,« tilføjer hun over for Videnskab.dk.

Studiet indikerer altså, at guld fra din halskæde, bly fra dit fiskegrej eller uran fra en atombombe potentielt kan være blevet skabt ved samme proces, som skabte det mærkelige gammaglimt – i dag kendt under navnet ’GRB 211211A’.

I modeller har forskerne forsøgt at beregne, hvor mange tunge grundstoffer, som blev skabt i forbindelse med ’GRB 211211A’.

»Vi fandt ud af, at denne ene begivenhed producerede omkring 1.000 gange Jordens masse i meget tunge grundstoffer,« siger medforfatter til studiet, lektor Matt Nicholl fra University of Birmingham, i en pressemeddelelse.

Han tilføjer, at det dermed støtter teorien om, at begivenheder som denne er »de primære fabrikker til at producere guld i Universet.«

\ Læs mere

Gammaglimt har påvirket Jorden over en afstand på 2,4 milliarder lysår

Et mærkeligt gammaglimt

Men hvad er det så, som gør ’GRB 211211A’ til et usædvanligt gammaglimt?

Eleonora Troja forklarer, at udbruddet af gammastråling varede mere end et minut, og at lærebøgerne fortæller os, at den slags længerevarende gammaglimt stammer fra supernovaer – kæmpestore stjerner, som eksploderer og dør.

»Vi har tidligere set hundredvis af lignende gammaglimt, og man troede, at de alle blev produceret, når de største stjerner eksploderer og dør. Men denne gang fandt vi ikke nogen tegn på det,« siger Eleonora Troja, som er astrofysiker og lektor ved Universitet i Rom.

»Vi brugte de mest kraftfulde teleskoper i verden og i rummet til at lede efter det typiske supernova-lys, som kommer i kølvandet på en stjernes død, men til min store overraskelse fandt vi det ikke,« siger hun.

Dermed konkluderer forskerne, at gammaglimtet - ’GRB 211211A’ – må være blevet skabt af noget andet end en supernova.

Og pilen peger på et meget voldsomt sammenstød, som involverer neutronstjerner; ekstremt kompakte og tunge, små stjerner.

Et kosmisk sammenstød

Enten er to neutronstjerner stødt sammen, eller også er en neutronstjerne stødt sammen med et sort hul (se faktaboks) – og det er dette kosmiske sammenstød, som har skabt gammaglimtet, lyder forskernes analyse.

»Det kommer som en overraskelse, for det passer slet ikke med de teorier og modeller over gammaglimt, som vi har haft siden 1990’erne. Vi er nødt til at gentænke, hvordan det kan lade sig gøre. Lige nu ved vi det faktisk ikke,« siger Daniele Bjørn Malesani.

Han forklarer, at forskerne hidtil har inddelt gammaglimt i to forskellige typer:

• Lange gammaglimt varer mere end to sekunder - typisk omkring et minut. De bliver udsendt, når en kæmpestor stjerne eksploderer og dør – en eksplosion, kendt under navnet supernova. Det er dog kun en brøkdel af alle supernovaer, som udsender gammaglimt.
• Korte gammaglimt varer under to sekunder. Forskernes modeller siger, at de udsendes, når to neutronstjerner støder sammen, og det blev også bekræftet ved en sensationel måling med tyngdebølger i 2017 – læs mere her. Korte gammaglimt er langt mere sjældne end lange gammaglimt.

Skaber tonsvis af guld

Førsteforfatteren til det ene Nature-studie, Jillian Rastinejad, kalder det nye fund for et »paradigmeskifte,« fordi det er første gang, et langt gammaglimt kan spores til et sammenstød med en neutronstjerne. Samme melding kommer fra Eleonora Troja.

»I mere end to årtier troede vi, at længerevarende gammaglimt kun kunne drives af stjerners eksplosive død. Nu ved vi, at uheldige neutronstjerner også kan gøre det, og at der i den proces bliver skabt tonsvis af tunge metaller,« siger hun til Videnskab.dk.

På DTU Space mener Niels Lund netop også, at fundet er interessant, fordi det er en form for blanding – en hybrid – imellem korte og lange gammaglimt.

»Det var oprindeligt russiske forskere, som opdagede, at der var to grupper af gammaglimt omkring 1980. Senere fik man modeller, som forklarede, hvad der skabte de to forskellige typer. Men her viser de altså, at vores modeller ikke er helt gennemførte. Der findes gammaglimt, som både udviser karakteristika for korte og lange gammaglimt,« siger lektor emeritus Niels Lund, som ikke har været en del af det nye studie.

Han tilføjer, at gammaglimtet også er spændende, fordi »GRB211211A har vist sig at være det nærmeste neutronstjernesammenstød, vi har observeret,« og dermed kan man se mange detaljer, som man ikke tidligere har set, påpeger Niels Lund.

Forskere: Vi har fundet en kilonova

I forbindelse med ’GRB 211211A’ opdagede de mange teleskoper, som rettede øjnene mod gammaglimtet, at der efterfølgende også kom et kort udbrud af synligt og infrarødt lys.

Forskernes fortolkning lyder, at dette udbrud var en såkaldt kilonova; et lysudbrud, der er en slags lillebror til de mere voldsomme supernovaer.

»Udbruddet med høj energi (selve gammaglimtet, red.) varede omkring et minut, og vores efterfølgende observationer førte til identifikationen af en kilonova,« siger studiets førsteforfatter Jillian Rastinejad, kandidatstuderende ved Northwestern University i USA i en pressemeddelelse fra NASA.

Daniele Bjørn Malesani forklarer, at kilonovaen netop er med til at bekræfte, at gammaglimtet kommer fra et sammenstød mellem neutronstjerner eller mellem en neutronstjerne og et sort hul.

»En kilonova har meget specielle karakteristika, og grundlæggende er det vores bedste bevis for, at gammaglimtet stammer fra et sammenstød med en neutronstjerne. For det er kun neutronstjerne-sammenstød, som giver anledning til de her karakteristika,« siger Daniele Bjørn Malesani.

En usædvanlig opdagelse

Opdagelsen af en kilonova er langt fra hverdagskost. Der findes kun ganske få observationer, som menes at være kilonovaer. Den mest sikre er fra et sammenstød mellem to neutronstjerner, som blev opdaget i 2017 – et fund der som nævnt blev bekræftet ved målinger af såkaldte tyngdebølger; læs mere her.

Tyngdebølger – også kaldet gravitationsbølger – er blandt de hotteste emner inden for fysikken i øjeblikket, og folkene bag de første sensationelle målinger af tyngdebølger fik nobelprisen i 2017.

Desværre blev der ikke målt tyngdebølger i forbindelse med ’GRB 211211A’. De tre anlæg i verden, som er i stand til at måle tyngdebølger, var slukkede og under længerevarende renovering, da gammaglimtet opstod, fortæller Daniele Bjørn Malesani.

»Men fundet her har betydning for forskningen i tyngdebølger. Grundlæggende set ved vi ikke, hvor ofte neutronstjerner kolliderer og udsender tyngdebølger. Vi har kun et groft estimat. Men det kan vi få et bedre billede af nu,« siger Daniele Bjørn Malesani.

Hvordan opstår tunge stoffer?

Da tyngdebølgerne fra neutronstjernesammenstødet blev målt i 2017, vakte det blandt andet også opsigt, fordi det gav forskerne en ide om, hvordan alle de tungeste grundstoffer i verden er opstået – læs mere her. En mysterium, som ellers har givet forskerne grå hår igennem årtier, fordi tunge grundstoffer - dem som står til sidst i det periodiske system – ikke kan være blevet skabt ved naturlige processer, som foregår i stjerner.

Der er brug for noget mere voldsomt, hvis der skal skabes tunge grundstoffer såsom guld, bly, uran og lignende.

»Ved Big Bang blev der kun skabt de letteste grundstoffer som brint og helium. Og processer i stjernerne kan danne de lidt tungere grundstoffer. Men man mangler stadig en proces, som kan skabe de sidste og tungeste tre fjerdedele af grundstofferne. Her har man i de senere år især kigget på sammenstød mellem neutronstjerner,« forklarer Niels Lund.

Det var især i forbindelse med neutronstjernesammenstødet i 2017, at teorien om, at sammenstødet skaber tunge grundstoffer, blev bekræftet. Forskerne kunne nærmest direkte se, at tunge grundstoffer blev udgydt ved sammenstødet mellem de to neutronstjerner.

Andre forklaringer

Tidligere var det ellers supernovaer, som var udset til at give ophav til tunge grundstoffer, men den teori er man i dag gået mere eller mindre bort fra, forklarer Niels Lund. Og med det nye fund er der altså potentielt endnu en mekanisme, som kan skabe tunge grundstoffer.

»Men forklaringerne på, hvor de tunge grundstoffer kommer fra, har bølget frem og tilbage igennem årene. Jeg tror ikke, vi har set den sidste forklaring endnu – man kommer nok til at vende bøtten på hovedet igen på et senere tidspunkt,« siger Niels Lund.

Spørger man en af de danske medforfattere til de nye studier af gammaglimtet, er han da heller ikke overbevist om, at det sidste ord er sagt om, hvad ’GRB 211211A’ er for en størrelse.

\ Læs mere

Neutronstjerner udspyr guld, jod og det halve periodiske system

\ Læs mere

Astronomer har observeret de to største gammaglimt, som nogensinde er registreret