Forskere har udgivet et nyt studie med observationer af et af de mest ekstreme og mystiske astrofysiske fænomener, der findes.
Observationerne kan kobles med teorier, der gør os klogere på, hvad der forårsager fænomenet. Det gør resultaterne så vigtige, at de er publiceret i det anerkendte tidsskrift Nature.
Her kunne denne artikel som så mange andre starte – men lad os i stedet starte et andet sted. Hele historien begyndte nemlig, da det amerikanske militær gjorde en helt uventet rumopdagelse under Den Kolde Krig:
Sidst i 1960’erne opsendte det amerikanske militær satellitter, som kunne opfange gammastråling. Man ville være i stand til at registrere, om de østeuropæiske lande foretog ulovlige atombombesprængninger.
De såkaldte Vela-satellitter registrerede mange kinesiske og franske atombombeprøve-sprængninger samt en eksplosion 22. september 1979 i det sydlige Atlanterhav. Det var muligvis en prøvesprængning, som enten Sydafrika eller Israel stod bag.
Men de fandt også noget helt andet, som ingen havde kunnet forudse:
For første gang nogensinde observerede de gammaglimt fra rummet.
Budskab fra en ikke-jordisk civilisation?
Gammaglimt er kortvarige udbrud af gammastråling, der kan vare fra nogle få sekunder eller minutter og helt op til halve og hele timer.
De er de mest lysstærke fænomener nogensinde observeret i universet: Et enkelt glimt kan være så lysstærkt, at det kan lyse lige så meget som alle stjerner i universet tilsammen. Man skulle derfor ikke tro, at de var så svære at få øje på.
Når de ekstreme glimt alligevel aldrig tidligere var blevet observeret, var det fordi, at gammaglimt kun kan opfanges af satelliter. Jordens atmosfære beskytter os nemlig mod gammastråler - hvilket er meget heldigt, når man tænker på, at strålingen er så kraftig, at den ødelægge celler, skabe DNA-mutationer og føre til kræft.
Da det første videnskabelige studie om gammaglimt som følge af Vela-satellitternes observationer udkom i 1973, var der flere spørgsmål end svar:
Hvor kom de fra? Hvor langt væk var de? Hvad var den bagvedliggende forklaring?
Der skulle gå yderligere et par årtier, før det lykkedes at opfange den første ’efterglød’ fra et af de langvarige gammaglimt, hvilket gjorde det muligt at fastslå, at de kraftige fænomener finder sted meget, meget langt borte og i galakser, som aktivt danner stjerner.
I 2005 lykkedes det at fastslå, at det samme gælder for de korte glimt.
Men hvad der præcis forårsagede et gammaglimt, var der stadig ingen, der endegyldigt kunne svare på. Nogle var endda overbevidste om, at der var tale om budskaber fra en avanceret, ikke-jordisk civilisation.
Gammaglimt er gråden fra et nyfødt, sort hul
Som du måske har fornemmet, var der i mange år tale om meget små og meget langsomme skridt fremad i forståelsen af de utrolige glimt, som ganske tilfældigt blev opdaget under den kolde krig.
Her skruer vi frem til nutiden:
I dag er forskerne overvejende enige om, at de fleste gammaglimt er et biprodukt af meget tunge stjerners død. Når tunge stjerner er ved at dø, kan de danne sorte huller inde i deres centrum, og formentlig dannes gammaglimtene i forbindelse med de såkaldte ’jets’ – på dansk bedst oversat til ’stråler’ – som bliver udsendt i de døende stjerners dødskramper, mens det sorte hul dannes.
\ Når en tung stjerne dør
Tunge stjerner omdanner, ligesom alle andre stjerner, lette grundstoffer til tungere grundstoffer.
På et tidspunkt bliver stjernen så tung, at den ikke længere kan bære sig selv. Til sidst kollapser den. Når det sker, falder dens ydre lag gradvist ind mod midten – ind mod det nyfødte sorte hul, der opstår i nogle tunge stjerner – hvor der dannes en skive.
På grund af stjernens rotation fungerer denne skive som en kæmpedynamo, der laver et gigantisk magnetfelt, som sender to stråler væk fra det sorte hul. Det materiale, som på denne måde spyes ud af den døende stjerne, lyser med en ekstrem styrke, og det er dette lys, der er selve gammaglimtet.
En populær talemåde siger derfor, at gammaglimt er gråden fra et nyfødt sort hul.
Teorien om, at gammaglimt opstår, når en tung stjerne dør og eksploderer – en såkaldt supernova – blev yderligere bekræftet, da en forskergruppe i starten af 2018 formåede at genskabe en miniversion af et gammaglimt i laboratoriet.
Men som forskerne skrev i en artikel hos Videnskab.dk, er der den dag i dag fortsat stor mystik omkring gammaglimt. Delvist fordi vi leder på må og få efter noget, der finder sted helt utroligt langt væk og kun varer få sekunder.
»Man kan sammenligne det med at forsøge at forstå, hvad et stearinlys er, men du har kun set ganske få glimt af et tændt stearinlys, som befinder sig flere tusind kilometer væk,« skrev lektor Gianlucas Sarri i artiklen hos Videnskab.dk.
Stadig mange åbne spørgsmål
Mystikken omkring gammaglimt er så stor, at det eksempelvis ikke er fuldstændig sikkert, at sorte huller og gammaglimt går hånd i hånd – og selv hvis de gør, er det ikke sikkert, at kun sorte huller fører gammaglimt med sig.
Måske kan dannelsen af andre massive, astrofysiske objekter, som eksempelvis hurtigtroterende neutronstjerner, gøre det samme.
Og selvom det efterhånden er en etableret sandhed, at supernovaer kan kobles til gammaglimt, er det ikke ensbetydende med, at alle tunge stjerners død akkompagneres af et gammaglimt.
»Der findes supernovaer med egenskaber, som ligner dem, vi mener, fører til gammaglimt, men som mangler gammaglimt-komponenten. Der er stadig adskillige åbne spørgsmål,« siger astrofysiker Luca Izzo til Videnskab.dk. Han er førsteforfatter på det nye Nature-studie, som vi startede denne artikel ud med og nu vender tilbage til.
Selvom studiet langtfra besvarer alle de spørgsmål, som til stadighed lægger sig i kølvandet af enhver samtale om gammaglimt, præsenterer det ifølge en udenforstående forsker alligevel nogle »overbevisende argumenter« for især én meget anerkendt gammaglimt-teori.
»Jeg begyndte at tale spansk«
I det nye studie fremlægger forskerne deres observationer og analyser af gammaglimtet GRB 171205A, et langvarigt gammaglimt, som blev opsnappet af rumsatellitten Swift i 2017. Den dag var Luca Izzo på vagt, som nogen altid skal være, i tilfælde af at teleskopet opfanger et signal.
»Der kom en SMS kl. 7 om morgenen, om at teleskopet havde detekteret et signal, og jeg skyndte mig at ringe til VLT (Very Large Telescope, red.) for at få tilladelse til at observere det. Jeg blev så begejstret, at jeg begyndte at tale spansk,« fortæller Luca Izzo, som er ansat som postdoc ved Institut for Astrofysik ved CSIC, Spaniens nationale forskningråd.
»En time efter var vi i gang med at observere. Det gik hurtigt op for os, at vi kiggede på det fjerdetætteste gammaglimt på Jorden nogensinde,« fortæller forskeren.
\ Swift-satelitten og VLT
Gammaglimtet, som det nye studie handler om, blev opsnappet af Swift-satellitten, som er del af NASA’s Swift Gamma Ray Burst Mission.
Satellitten, som blev sendt i kredsløb 29. november 2004, har tre instrumenter, som arbejder sammen for at observere gammaglimt og deres eftergløder: I gammastråler, røntgenstråler, ultraviolette og synlige elektromagnetiske bølgelængdebånd.
Swift er i stand til konstant at holde øje med en tredjedel af nattehimlen.
De vigtigste af Swift-satellittens signaler følges op af bl.a. VLT-teleskopet, som er placeret i Chile og drives af 11 europæiske lande, heriblandt Tyskland, Storbritannien, Frankrig, Italien, Sverige og Danmark.
GRB 171205A og den supernova, som forskerne hurtigt fandt frem til, at gammaglimtet kunne være koblet til, lå omkring 500 millioner lysår fra Jorden. Til sammenligning lå det fjerneste gammaglimt nogensinde observeret 13 milliarder lysår borte, hvilket svarer til universets allerspædeste barndom.
Stof bevægede sig ekstremt hurtigt
I dagene, der fulgte, monitorerede forskerne hændelsen tæt. Fordi det stof, som blev udsendt i forbindelse med begivenheden, udsendte stråling, kunne de kortlægge dets såkaldte spektrum. Et spektrum afspejler den fysiske struktur af det stof, der har udsendt eller absorberet strålingen.
Det betyder med andre ord, at man kan lave en signatur for en astrofysisk hændelse og på den måde visualisere, hvad der egentlig foregår. Det var »virkelig fantastisk,« fortæller Luca Izzo.
»Vi fortsatte med at observere spektret i et par dage, og vi observerede nogle meget mærkelige absorptionsmønstre. Vi kunne se, at absorptionen var meget bred. Det betyder, at der er nogle ekstremt høje ekspansionshastigheder på spil, helt op imod 115.000 km pr. sekund,« fortæller astrofysikeren.
Det betyder, at det stof, der i første omgang blev kastet ud fra stjernen, udvidede sig med en hastighed, der svarer til en tredjedel af lysets hastighed. Eller med andre ord: Meget, meget hurtigt.
Efter nogle dage ændrede spektret sig og begyndte at bevæge sig langsommere og dermed mere i retning af, hvad man ville forvente fra en typisk supernova.
\ Læs mere
Forskerne har observeret en ... puppe?
Og hvad betyder det så, at stoffet udvidede sig så ekstremt hurtigt til at begynde med? Jo, forklarer den danske professor Jens Hjorth, det betyder, at det, forskerne i virkeligheden har set, formentlig er det, de selv kalder en ’cocoon’. På dansk kokon eller puppe.
Ingen af ordene er helt rammende, for begrebet dækker over, at de jets eller stråler, som gammaglimtene kan dannes i forbindelse med, frigør materiale fra stjernens indre - materialet 'slipper ud' af stjernen, ligesom champagne der vælter ud af en nypoppet champagneflaske. Noget af al energien ryger tilbage til den skive, som den døende stjerne har skabt i sin midte med det nyfødte sorte hul.
Du kan se en illustration af en kokon i denne simulering af en tung, døende stjerne:
»Udvidelsesraterne på de supernovaer, vi tidligere har observeret, har hastigheder på omkring 30.000 km pr. sekund, altså en tredjedel af denne. Det skyldes formentlig, at spektrene i det nye studie er målt tidligere i eksplosionen, end man før har gjort. I artiklen tolker vi det, som om det, vi observerer med den høje hastighed, er en kokon,« fortæller Jens Hjorth, som er en af de danske forfattere på det nye studie.
Kokon-scenariet er tungt teoretisk stof, og du behøver ikke at forstå det til fulde. Pointen er, at forskernes teorier stemmer overens med spektrene fra GRB 171205A og den stjerneeksplosion, som den sandsynligvis er affødt af.
Stjernens masse og radius kan aflæses i kokon
Kokon-teorien har eksisteret siden 2002, og selvom det ikke har den store betydning for dig og mig, hvordan energi bliver overført til stjerner, inden de eksploderer og udsender alskens energiudladninger og måske danner sorte huller, er det vigtig viden for forskerne.
Det fortæller astrofysiker Enrico Ramirez-Ruiz, som arbejder delvist som Niels Bohr professor på Københavns Universitet og resten af tiden som professor på University of California i Santa Cruz. Du kan læse mere om Enrico Ramirez-Ruiz' forskning i artiklen 'Stjernernes retsmediciner løser kosmiske gåder'.
»Det indebærer, at vi måske en dag kan håbe på at opnå en ægte forståelse af gammaglimt,« tilføjer han.
Enrico Ramirez-Ruiz understreger dog, at han ikke er helt objektiv, da han selv var med til at udvikle kokon-teorien og forudsige, hvordan en kokon ville se ud, i et studie i 2002.
Det tætteste, vi kommer på åstedet
Det nye studie bekræfter, at universets mest lysstærke fænomener kommer fra kollapset af meget tunge stjerner, sådan som forskerne har troet i efterhånden noget tid, forklarer Enrico Ramirez-Ruiz.
Som en retsmediciner kan man på den måde få ledetråde og indicier, som fortæller noget om, hvordan stjernen så ud, inden den endte sit liv og formentlig blev til et sort hul, forklarer han.
»Måske kan denne observation give os et tidligt vindue ind til eksplosionen, mens den udviklede sig. Det her er det tætteste, vi er kommet på åstedet, når det kommer til direkte beviser for en tung stjerne,« skriver han.
»Jeg ved godt, at det er teknisk og svært at se det i øjenfaldende i. Men når det kommer i Nature, er det fordi, der er tale om en signatur, som man har påstået, skulle være der, men aldrig tidligere har formået at observere.«
Nye observationer bekræfter teori
Ifølge Jens Hjorth understøtter det nye studie den teoretiske ide, forskerne har haft, om hvad der sker i overgangen fra tung stjerne til gammaglimt. Der er med andre ord tale om et fysisk scenarie, som man nu kan støtte op om med reelle observationer, forklarer han.
»Hvorfor er det interessant? Fordi det bekræfter en teori. Vi har forskellige scenarier, men det er ikke sikkert, at de er rigtige. Hele gammaglimt-området var engang et stort mysterium, og så får man observationer som dem her, der giver os et billede af, hvad det egentlig er, der foregår,« siger professor Jens Hjorth.
Derudover, tilføjer hans kollega Jonatan Selsing, som også er forfatter på studiet, skal man absolut ikke se ned på forskning, bare fordi den er nørdet og svær at forstå.
Jonatan Selsings eget bidrag gik ud på at måle på de grundstoffer, der slap ud sammen med kokonen i GRB 171205A. Hans analyser bekræfter, at kokonen indeholdt jern, kobolt og nikkel, der var dannet i midten af stjernen, netop sådan som man teoretisk ville forvente.
»Det allermest nørdede arbejde er jo super fedt, fordi det dybest set er at udleve den mest sci-fi-agtige drøm for hele menneskelighedens gode. Det bliver ikke meget federe,« skriver Jonatan Selsing i en mail til Videnskab.dk. Ligesom Luca Izzo er han blandt de 100 astronomer, som skiftes om at være på 'Swift-vagt'.
»Jeg får lov til at styre enorme teleskoper og bruge super-computere til at fremme vores fælles forståelse for det univers, vi lever i. Hvor fedt er det ikke lige?« skriver Jonatan Selsing.
Kan hjælpe med at forstå universets tilblivelse
Der er mange årsager til, at forskerne gerne vil forstå gammaglimt bedre, påpeger Jens Hjorth.
Gammaglimt kan både være med til at løfte sløret for ny viden om sorte hullers egenskaber, men de er også et meget nyttigt instrument, fordi deres voldsomme lys gør det muligt at observere ting, der ellers ville være usynlige for os her på Jorden.
»Man kan bruge dem som et slags baggrundslys for de objekter og fænomener, der ligger i forgrunden set fra vores udgangspunkt. De fungerer som en slags astrofysisk lommelygte, som lyser universet op i korte perioder,« siger Jens Hjorth.
Luca Izzo supplerer:
»Gammaglimt er vigtige, fordi de er de mest lysende eksplosioner i universet, og fordi studier af deres stråling kan gøre os klogere på rigtig mange ting, heriblandt Big Bang og universets begyndelse. Hvis vi studerer nok af dem, kan de med tiden hjælpe os med at forstå selveste universets evolutionshistorie.«
