GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER

Transkript

1 GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM Af Jens Hjorth, Anja C. Andersen, Johan P.U. Fynbo, Kristian Pedersen, Jesper Sollerman & Darach Watson Stjernehimmelen forekommer uforanderlig. Aften efter aften, ja faktisk hele livet igennem, genfindes de samme stjernebilleder på firmamentet. Det skyldes at en typisk stjerne som vor egen sol skinner i ca. 10 mia. år uden de store ændringer i lysudsendelsen. Men ikke alle stjerner er så rolige og bestandige som Solen. Nogle af de tungeste stjerner lever kun nogle få millioner år, hvorefter de eksploderer og på få sekunder sender en byge af energirig gammastråling ud i Universet, et gammaglimt. Gammastrålingen er så kraftig at den i få sekunder overskygger alle himlens andre objekter der udsender gammastråling. Cirka hver anden nat registreres dette dødsskrig fra en eksploderende stjerne. Heldigvis er Solen ikke sådan en type stjerne, og heldigvis er der ingen stjerner af denne type i Jordens nabolag det ville have katastrofale konsekvenser for livet på Jorden. Den gode side ved gammaglimt er at de på grund af deres enorme lysudsendelse kan ses på milliarder af lysårs afstand. I disse år er gammaglimt derfor ved at blive et særdeles nyttigt redskab til at studere Universets fjerneste afkroge. Desuden er det en stor teoretisk udfordring at forstå hvad der sker under eksplosionen hvor stof med ekstremt høj tæthed bevæger sig BATSE-experiment opfangede over gammaglimt jævnt fordelt over himmelen. De mange teorier der forudsagde at gammaglimt skulle ligge i Mælkevejens plan var dermed modbevist. GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM 2005/11/12 55

2 2. Under et gammaglimt udsender den eksploderende stjerne en jet af ultravarmt, elektromagnetisk plasma med en fart meget tæt på lysets. Ved brug af supercomputere kan opnås forståelse for fysikken bag disse ekstreme fænomener. Her ses resultatet af sådan en computersimulation hvor man ser ned gennem jetten imod den døende stjerne. (C. Hededal, T. Haugbølle, J. Trier Frederiksen & Å. Nordlund, NBI) med nær ved lysets fart. Formentlig udsendes gammaglimt fra flere forskellige typer af stjerner og under forskellige omstændigheder, men der er endnu mange mysterier at fravriste disse kosmiske eksplosioner som bryder stjernehimlens uforanderlighed. Opdagelsen af gammaglimt er et OPDAGELSEN AF GAMMAGLIMT udmærket eksempel på at tilfældigheder ofte spiller en vigtig rolle for viden /12/2005 GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM

3 skabelige fremskridt. Historien begynder i 1963 hvor verdens førende nationer, med USA og Sovjetunionen i spidsen, underskrev en traktat om forbud mod kernevåbenforsøg i atmosfæren, i det ydre rum og under vandet. Det samme år opsendte USA den første af en række satellitter under navnet Vela spansk for på udkig der var designet til at opspore gammastråling fra hemmelige kerneeksplosioner. Vela-satellitterne opdagede imidlertid noget uventet. Den 2. juli 1967 registrerede en af satellitterne et pludseligt udbrud af gammastråling. Den registrerede dernæst et udbrud fra en anden retning. Og så endnu et. Disse uventede udbrud blev ved med at komme. De var klarere end alt andet på gammahimmelen i et par minutter og forsvandt så igen. Det blev hurtigt klart at disse udbrud ikke skyldtes menneskeskabte kilder og heller ikke kom fra Jorden, Solen, Månen eller nogen af planeterne. Det næste store fremskridt skete ikke før i 1991 hvor NASA opsendte Compton Gamma-Ray Observatory som medbragte Burst And Transient Source Experiment (BATSE) instrumentet. Dette opfangede gennem det følgende tiår over gammaglimt jævnt fordelt over hele himmelen (fig. 1). Det blev klart at glimtene intet kunne have at gøre med Mælkevejen eller nogen nære galakser eftersom de ellers ville komme fra bestemte retninger. Men hvis de var endnu længere væk, måtte der udsendes en næsten ufatteligt stor energimængde for at gammaglimtene overhovedet ville kunne ses fra Jorden. Gammaglimt måtte skyldes en eller anden dramatisk begivenhed. Teoretikere viste at en eksplosion meget 3. Illustration af Swift-satellitten der observerer et gammaglimt. Når Swifts gammadetektor opdager et gammaglimt, udregner computeren om bord i løbet af ca. 20 s hvorfra på himlen gammaglimtet kom. Derefter sender Swift besked om positionen til Jorden, og desuden drejer satellitten sit røntgenteleskop og optiske teleskop mod denne position. Efter et par minutter er begge teleskoper på plads, og i næsten alle tilfælde opfanges røntgenstråling fra eftergløden. Efterhånden som observationerne skrider frem, sendes data til Jorden hvor en detaljeret analyse foretages. Alle Swifts data lægges på internettet kort tid efter de er sendt til Jorden, så alle kan følge med i hvad Swift observerer. (NASA E/PO) vel kunne give anledning til en ildkugle eller stråle ( jet ) af ekstremt energirige partikler som udbreder sig med en fart tæt på lysets (fig. 2). Efterhånden som jetten bremses ned af det omgivende stof udsendes lys ved alle bølgelængder, og denne efterglød fra eksplosionen skulle blive svagere og svagere. For at lære mere besluttede astronomer at kigge efter denne mulige efterglød ved hjælp af teleskoper på Jorden. Desværre kunne BATSE ikke lokalisere glimtene særlig præcist, og man kom ikke videre. Et vigtigt gennembrud kom 28. februar 1997 næsten 30 år efter det første gammaglimt blev opdaget. Astronomer rettede BeppoSAX-satellit- GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM 2005/11/12 57

4 A kølvandet på denne observation fulgte nærmest en revolution i udforskningen af disse kosmiske eksplosioner. Man fandt hurtigt ud af at eftergløden kan observeres over hele det elektromagnetiske spektrum, fra røntgen-området over det optisk-infrarøde og ud i radioområdet, og at eksplosionerne sker i meget store afstande hvorfra lyset blev udsendt i Universets barndom. GAMMAGLIMT KOMMER FRA EKSPLODERENDE STJERNER Lysstyrke B 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, A: den optiske efterglød fra et gammaglimt svækkes så hurtigt at den er svær at opdage. Disse tre billeder viser (fra venstre mod højre) hvordan eftergløden fra et gammaglimt fra 19. maj 1998 aftager med tiden. Eftergløden den blå kilde i centret af billederne er næsten umulig at skelne fra stjernerne i forgrunden som er fra vores egen Mælkevej. Billederne blev taget af forfatterne fra det Nordisk Optisk Teleskop på La Palma, De Kanariske Øer. Billederne blev taget 13, 15 og 17 timer efter gammaglimtet. B: lysstyrken af eftergløden målt på billederne. Lysstyrken er sat til én på tidspunktet for det første billede. I løbet af nogle få timer halveres lysstyrken af eftergløden. ten mod et område på himmelen hvor et gammaglimt var blevet opfanget otte timer tidligere. De håbede at se et aftagende signal af røntgenstråling samme sted på himmelen hvor glimtet var observeret. Det lykkedes og blev således den første observation af en efterglød. I Timer efter gammaglimt I dag ved man at gammaglimt, er de mest energirige eksplosioner stjerner kan give anledning til endnu kraftigere end supernovaer (se Naturens Verden 2005, nr. 7/8: 2-9). De kan observeres fra hele det synlige Univers og opstår når meget tunge stjerner eksploderer og dør. Der gik imidlertid seks år fra opdagelsen af den første efterglød, til man nåede denne erkendelse. Det var i marts HETE-2-satellitten havde efter en periode uden registrering af gammaglimt i slutningen af måneden fundet tre den 23., den 24. og den 28. marts, og astronomer verden over var godt udmattede efter en uges hårdt nattearbejde. Det var lørdag d. 29. marts, kl. 12, og weekenden var begyndt. Så kom alarmen på og sms: Et meget klart gammaglimt, GRB , var observeret. På arbejde igen. Der var teorier fremme om at gammaglimt er relateret til supernovaer af den slags der opstår når meget tunge stjerner (mindst otte gange Solens masse) ikke længere kan fortsætte med at udsende energi fra kernereaktioner og derfor kollapser til en neutronstjerne eller et sort hul. Den frigjorte energi fra kollapset forårsager en eksplosion en supernova. De fleste supernovaer kan ikke danne gammaglimt, men man mente at nogle, hvor energien transporteres ud i jets langs stjernens rotationsakse, måske kunne. GRB var 2 mia. lysår væk 58 11/12/2005 GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM

5 en enorm afstand, men dog et af de nærmeste, kendte gammaglimt. Og det var blandt de 10 klareste der nogensinde er opdaget. Dermed var det oplagt at kigge efter om det var ledsaget af en supernova. Et internationalt team ledet af forfatterne til denne artikel besluttede derfor at følge eftergløden spektroskopisk med Very Large Telescope (VLT) fra ESO s Paranal Observatorium i Chile for at se om der skulle dukke kendetegn op som er karakteristiske for en supernova. Inden for en uges tid så vi lys der tydede på en hurtigt ekspanderende supernova-skal som bevægede sig med 12% af lysets fart. Og ved at ekstrapolere bagud i tid kunne man se at supernovaen gik af samtidig med gammaglimtet. At der eksisterer en sammenhæng mellem supernovaer og gammaglimt var hermed fastslået. Man ved nu at der ved dannelsen af disse specielle supernovaer samtidig udsendes højenergetisk stråling i snævre stråler i to retninger. Hvis en af strålerne tilfældigvis rammer Jorden, ses den som et gammaglimt (boks 1). PÅ JAGT EFTER GAMMAGLIMT De fleste gammaglimt observeres nu om dage med Swift-satellitten som blev opsendt i november Når Swift (fig. 3) lokaliserer et gammaglimt, drejes satellitten mod positionen, og dens røntgen og ultraviolette teleskoper lokaliserer gammaglimtet præcist. Dernæst sendes automatisk besked til Jorden, og informationen distribueres herefter lynhurtigt til alle interesserede via internettet. På Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kosmologi (DARK) ved 5. To neutronstjerner der smelter sammen. I processen er det muligt at der udsendes et gammaglimt som ses hvis en af de to stråler rammer Jorden. Sammensmeltningen sker i løbet af en brøkdel af et sekund, og måske er dette kilden til de meget korte gammaglimt. (NASA E/PO, Sonoma State University, A. Simonnet) Niels Bohr Institutet udtrækker vi en del af denne information og sender den videre til specielle 3G mobiltelefoner hvorfra vi kan tage hurtige beslutninger, inklusive at dreje VLT automatisk mod glimtet. Astronomer må arbejde hurtigt fordi gammaglimtets efterglød hurtigt hen- GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM 2005/11/12 59

6 Animation af gammaglimt. (NASA/SkyWorks Digital) Simulation af jet der pløjer sig ud gennem stjerne. (W. Zhang & S. Woosley) Den fremherskende model for gammaglimt kaldes kollapsar-modellen fordi den involverer en stjerne der kollapser til et sort hul. Historien begynder hundreder af tusind år før eksplosionen der skaber gammaglimtet: En massiv stjerne løber tør for brændstof og afstøder sin ydre kappe af brint og helium vha. stjernens egen stråling. Tilbage er en blålig, kompakt stjerne der består af omkring 15 solmasser af helium, ilt og tungere grundstoffer. Stjernen mister hurtigt sit tilbageværende brændstof, og dens indre kerne kollapser og danner et sort hul i centrum. Samtidig ender dele af stjernen i en skive af stof der roterer meget hurtigt omkring det sorte hul, mens de ydre lag af stjernen ikke umiddelbart påvirkes lykkeligt uvidende om den katastrofe der er undervejs i dens hjerte. Formentlig giver kraftige elektriske og magnetiske felter anledning til udsendelse af stof langs med stjernens rotationsakse i form af to tynde og modsat rettede stråler, jets. De gennemborer med lethed de ydre dele af stjernen i løbet af ca. 10 og ryster stjernen i en gigantisk eksplosion en supernova. Omkring en time senere, langt uden for den oprindelige stjerne, opstår der kollisioner i jetten af materiale der bevæger sig med forskellige hastigheder (tæt ved lysets fart). Disse kollisioner giver anledning til selve glimtet af gammastråling som observeres med satellitter. BOKS 1: EN GAMMAGLIMT-MODEL falder (fig. 4). Astronomer ved at de har lokaliseret eftergløden når de har identificeret et hidtil ukendt objekt hvis intensitet falder med tiden. Opfølgning sker med Chandra X-ray Observatory eller XMM-Newton, med Very Large Array (VLA) i New Mexico, med Hubble Space Telescope eller med alverdens jordbaserede teleskoper. En af de første og vigtigste målinger er at bestemme gammaglimtets såkaldte rødforskydning fordi dette giver et mål for dets afstand fra Jorden. Rødforskydningen bestemmes normalt fra teleskoper på Jorden som måler effekten af absorption af lys fra stof mellem os og gammaglimtet. Dette mellemliggende stof absorberer noget af lyset fra eftergløden så der, når man registrer lyssammensætningen på Jorden, mangler lys ved bestemte bølgelængder, de såkaldte absorptionslinier. Ved at måle hvor meget disse absorptionslinier, pga. Universets ekspansion er blevet forskudt til længere bølgelængder, kan astronomer bestemme hvor langt væk glimtet var. Det er imidlertid ikke kun professionelle astronomer der kan jagte gammaglimt. Amatørastronomer har også 60 11/12/2005 GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM

7 bidraget med data til lyskurver, og i juli 2003 blev en efterglød for første gang opdaget af en amatørastronom. Dette viser at man ikke altid har brug for store teleskoper hvis man blot er hurtig nok. Faktisk ved man at gammaglimt kan blive så klare at de næsten kan ses med det blotte øje. Dette sker absolut ikke altid, men i januar 1999 opdagede astronomer et optisk glimt der stammede fra et gammaglimt. Trods det at det var så klart, var afstanden 8 mia. lysår. Det optiske glimt ville have kunnet ses fra baghaven med en prismekikkert! Ved DARK har vi sat en automatisk alarmeringsservice op for interesserede (sms og ), der ønsker at jagte gammaglimt i Danmark ( BUDBRINGERE FRA DET TIDLIGE UNIVERS Gammaglimt er så klare at astronomer kan se dem, selv om de er meget langt væk. Det fjerneste kendte glimt, også observeret med VLT af forfatterne, blev udsendt da Universet var mindre end 10% af dets nuværende alder på 14 mia. år. De seneste års studier har allerede bragt mange spændende resultater men har også givet anledning til mange nye spørgsmål. Med opsendelse af Swift gammaglimt-satellitten kan man nu bruge gammaglimt til at udforske nogle af de første galakser der blev dannet. Det skyldes at de tunge stjerner som ender deres liv med et gammaglimt, findes i galakser med meget kraftig stjernedannelse. Gammaglimt kan således, ud over historien om stjerners død, fortælle os hvordan og i hvilke omgivelser de første stjerner blev dannet. En bestemt type supernovaer har vist sig at være velegnede som standardlyskilder der kan bruges til at måle hvor hurtigt Universet udvider sig nu og før i tiden (se Naturens Verden 2005, nr. 7/8: 2-9). Det har helt overraskende vist sig at udvidelsen omkring vor tid går hurtigere og hurtigere. Årsagen er helt ukendt, og energikilden til denne løbske udvidelse har fået navnet mørk energi. Måske er nogle gammaglimt på samme måde gode standardlyskilder. Gammaglimt er meget mere lysstærke end supernovaer, og derfor kan de ses endnu længere væk. Det vil give en helt ny mulighed for at måle hvor hurtigt Universet udvidede sig endnu længere tilbage i tiden. Dermed kan Universets udvidelseshistorie nærmere indkredses og give bedre indblik i hvad naturen af den mørke energi er. Men før man kan gøre sig håb om at bruge gammaglimt som standardlyskilder, må der skabes en bedre forståelse af egenskaberne ved gammaglimtene. På baggrund af BATSE målinger viste det sig at der i hvert fald er to forskellige slags gammaglimt: De der varer mere end 2 sek og som skyldes stjerners død, og de der er kortere end 2 sek. Man ved meget lidt om de korte gammaglimt da det først i foråret 2005 er lykkedes os at observere en efterglød fra korte glimt. Disse skyldes måske sammensmeltning af to neutronstjerner (fig. 5), måske noget helt andet. Detaljerede studier af korte gammaglimt er derfor stadig i sin vorden, og med de mange overraskelser som gammaglimt indtil videre har bragt videnskaben, gemmer de sikkert adskillige uventede opdagelser derude. Gammaglimt vil i de kommende år som kosmiske fyrtårne hjælpe os til at aflure Universet dets mysterier og oplyse dets allerfjerneste afkroge. LITTERATUR Pedersen H., J. Hjorth & N. Lund, 1999: Mod universets grænser. Naturens Verden nr. 82: Hjorth J. m.fl., 2003: A very energetic supernova associated with the -ray burst of 29 March. Nature, Vol. 423, s Hjorth J., C. Kouveliotou & S. Woosley, 2004: Hunting Cosmic Explosions. Physics World, oktober nummeret. Sollerman J. m.fl., 2004: Supernovaer kaster lys over mørk energi. Naturens Verden nr. 7/8: 2-9. Hjorth J. m.fl., 2005: The optical afterglue of the Short -ray bunt GRB Nature, 6. okt. GAMMAGLIMT EKSPLOSIONER FRA UNIVERSETS UNGDOM 2005/11/12 61