Gigantisk supernova forklarer mystisk gammaglimt

Et internationalt hold af forskere, her iblandt professor Johan Fynbo fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet, har fundet ud af, at der for 6,4 milliarder år siden blev udsendt et syv timer langt gammaglimt i forbindelse med en kraftig supernovaeksplosion af en ganske særlig slags.

Gammaglimt er de kraftigste energiudladninger, universet har at byde på, og der skal ganske særlige omstændigheder til for at danne dem – og særligt de langvarige af dem.

Nu mener forskerne at kunne sige, at gammastrålingen – den mest energirige form for elektromagnetisk stråling – i denne omgang blev udsendt af en speciel supernova, der var cirka 15 gange så lysstærk, som supernovaer frembragt ved tunge stjerners død normalt er.

Det er første gang, at der er fundet en sammenhæng mellem en supernova og et meget langvarigt gammaglimt. Opdagelsen beskrives i en artikel i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature.

Magnetfelt gav ekstra energi

Supernovaen opstod, da en hurtigt roterende kæmpestjerne kollapsede, så dens kerne forvandlede sig til en ultrakompakt neutronstjerne med en radius på cirka 10 kilometer, men med en masse større end Solens.

Da stjernens indre faldt sammen under sin egen vægt, begyndte den at rotere stadig hurtigere, præcis som når en skøjteløber laver en pirouette og drejer hurtigere rundt, når hun trækker armene ind mod kroppen. Derfor kan neutronstjerner ende med at rotere mange gange i sekundet. På tilsvarende vis forstærkes magnetfeltet.

Forskerne mener, at eksplosionen fik ekstra energi, fordi neutronstjernen fik et uhyre kraftigt magnetfelt, forklarer Johan Fynbo:

»I forvejen er supernovaer, der udsender gammaglimt, ekstreme – men denne er ekstra ekstrem. Normalt kommer energien fra supernovaer fra radioaktivt materiale, specielt nikkel. Men her var der tale om en såkaldt magnetar – en neutronstjerne med et meget kraftigt magnetfelt.«

»Stof omkring magnetaren er blevet koblet til det ekstremt kraftige magnetfelt, så noget af energien fra den hurtigt roterende neutronstjerne er blevet afleveret til stoffet, der bliver trukket med rundt. På den måde har denne supernova fået ekstra energi og er blevet meget lysstærk.«

83 omdrejninger i sekundet

De kraftige gammaglimt varer typisk kun i nogle få sekunder eller minutter, men det gammaglimt, der nåede frem til NASA-satellitten Swift den 9. december 2011, varede op imod syv timer. Den lange varighed kan bedst forklares med forskernes magnetar-model.

Målingerne passer med, at den ekstra energi kom fra en neutronstjerne, der roterede så hurtigt om sig selv, at den kun var 12 tusindedele af et sekund om en omgang. Den må have haft et uhyre kraftigt magnetfelt på mellem 600 og 900 billioner gauss – et magnetfelt, der er rundt regnet en million milliarder gange så stærkt som Jordens.

Ved hjælp af særlige instrumenter på jordbaserede teleskoper lykkedes det forskerne at indfange eftergløden af gammaglimtet, og det er disse målinger, der for det første gjorde det muligt at sammenkoble gammaglimtet og supernovaeksplosionen, og som for det andet sandsynliggjorde, at supernovaen skyldtes en kollapset kæmpestjerne, der har efterladt sig en magnetar.

Langvarige glimt er sjældne

De meget langvarige gammaglimt er ret sjældne begivenheder – der kommer måske kun et enkelt om året i gennemsnit. Kortere gammaglimt observeres langt oftere, og forskerne regner med, at de fleste af dem kommer fra kæmpestjerner, der eksploderer som supernovaer og ender som sorte huller.

»I normale gammaglimt kommer energien fra et gravitationelt kollaps af en kæmpestjerne, der bliver forvandlet til et sort hul. Her er den typisk tidsskala på få sekunder – måske op til 10 sekunder. Så vi blev nødt til at finde en anden forklaring på det langvarige gammaglimt,« siger Johan Fynbo.

Han kan også fortælle, at de korteste gammaglimt også kan komme fra to neutronstjerner eller et sort hul og en neutronstjerne, der kolliderer. Det centrale lader til at være, at det ender med et hurtigt roterende kompakt objekt, hvis der skal udsendes gammaglimt.

Var ophavet en blå supergigant?

Tidligere er det langvarige gammaglimt, der har fået navnet GRB 111209A, blevet undersøgt nærmere af et andet hold forskere, som kom frem til, at det måtte stamme fra en enorm stjerne af typen blå supergigant. Dette resultat blev bragt i The Astrophysical Journal i 2013.

Dengang mente forskerne ikke, at gammaglimtet kunne skyldes en magnetar, men det gør ikke det nye resultat forkert, fortæller astrofysiker Bruce Gendre fra University of the Virgin Islands i USA, der var blandt forskerne bag det første studie:

»Vi afviste muligheden for, at en magnetar kunne levere brændstoffet til hele gammaglimtet, og det gjorde vi, fordi neutronstjernen så ville rotere så stærkt, at den ville eksplodere på grund af centrifugalkræfter. Det gælder stadig. Men intet forhindrer stjernens kerne i at have dannet en magnetar, der kunne levere noget af den ekstra energi til supernovaens udstråling.«

En kæmpestjerne var det i hvert fald

Forskerne er således enige om, at en eksploderende kæmpestjerne gav anledning til gammaglimtet, og Bruce Gendre ser nærmest det nye resultat som en afgrænsning af den gamle model.

Kæmpestjernens eksplosion som en supernova kan have givet gammaglimtet, og så kan magnetaren – resterne efter stjernen – have leveret energien til den efterglød, som Johan Fynbo var med til at analysere, fortæller Bruce Gendre og fortsætter:

»Det rejser et nyt spørgsmål inden for stjerners fysik: Hvordan er det muligt for en meget massiv stjerne at danne en neutronstjerne frem for et sort hul? Det er hovedspørgsmålet for mig, for det kunne forklare forskellen mellem massive stjerner, der producerer gammaglimt, og dem, der blot bliver til supernovaer.«

Nu venter forskerne bare på, at der bliver registreret flere gammaglimt, der måske kan forbindes med supernovaeksplosioner. De vil nemlig gerne have en endnu bedre forståelsen af mekanismerne bag universets vildeste energiudladninger.