Enorme instortende of botsende sterren veroorzaken gammaflitsen
NASA Goddard Space Flight Center/A. Simonnet, Sonoma State University
De krachtigste explosie die astronomen ooit hebben gezien, bevat een mysterieus signaal waarvan men dacht dat het niet bestond. Het signaal geeft ons de eerste gedetailleerde blik in gammaflitsen en suggereert dat deze gepaard gaan met de vernietiging van materie en antimaterie.
Gammastraaluitbarstingen (GRB’s) zijn de krachtigste stralingsuitbarstingen in het universum en worden geproduceerd bij kosmische explosies en botsingen. Natuurkundigen vermoeden dat de GRB met de hoogste energie afkomstig is van de ineenstorting van sterren en de vorming van een zwart gat. Het zwarte gat produceert vervolgens een straal materiaal, die zich bijna met de snelheid van het licht voortbeweegt, die de vallende ster doorboort en uitbarstingen van straling uitzendt die we op aarde kunnen waarnemen. Maar hoe deze straling precies wordt geproduceerd, of wat de jet zou kunnen bevatten, blijft onbekend.
Een groot deel van dit mysterie komt voort uit het spectrum van licht dat we kunnen zien. In tegenstelling tot het licht dat we waarnemen van andere objecten in de ruimte, dat karakteristieke pieken bevat die ons kunnen vertellen over de specifieke atomen of andere materie die deze uitbarsting van energie produceerden, lijkt het lichtspectrum van gammaflitsen altijd vloeiend en karakterloos. .
In de jaren negentig raakten onderzoekers enthousiast over de mogelijkheid dat sommige GRB’s duidelijke lijnen vertoonden, maar na zorgvuldige analyse ontdekten ze dat dit statistische fouten waren en concludeerden ze dat GRB-spectra niet stekelig konden zijn.
Nu hebben Maria Ravasio van de Radboud Universiteit in Nederland en haar collega’s ontdekt dat GRB221009A, ontdekt in 2022 en de helderste explosie sinds de oerknal genoemd, feitelijk een energiepiek bevat van ongeveer 10 mega-elektronvolt.
“De eerste keer dat ik de lijn zag, dacht ik dat ik iets verkeerd had gedaan”, zegt Ravasio. Maar na het uitvoeren van een gedetailleerde statistische analyse en het uitsluiten van problemen met het observatie-instrument – de Fermi Gamma Ray Space Telescope – kwamen Ravasio en haar collega’s tot de conclusie dat de sprong in het spectrum echt was. “Toen ik besefte dat het geen vergissing was, kreeg ik kippenvel omdat ik besefte dat het iets groots was.”
Omdat bijna alle GRB’s een vergelijkbare energieverdeling vertonen, analyseren astronomen nieuwe GRB-detecties met behulp van data-analysemethoden die het beste werken met dit patroon. Maar Ravasio en haar team gebruikten in plaats daarvan een methode die piekwaarden mogelijk maakt, en ontdekten dat deze beter bij de gegevens paste. “Dat deel van het GRB-spectrum is al jaren hetzelfde en niemand heeft het onderzocht”, zegt Ravasio. “De energie van [GRB221009A] Hierdoor konden we dat deel van het spectrum veel beter zien.”
Deze piek wijst op een specifiek fysiek proces achter GRB’s dat ontbreekt in onze beste modellen ervan.
Om zich te concentreren op wat het zou kunnen zijn, gingen Ravasio en haar collega ervan uit dat er geen volledige atomen in het vliegtuig zaten, vanwege de energie die het moet hebben gehad. Hierdoor bleef er één plausibele verklaring over: de vernietiging van elektronen met hun antimaterie-tegenhangers, positronen. Een dergelijke vernietiging zou gammastraling produceren met een duidelijke piek van 511 kilo-elektronvolt. “Dit vertelt je al over de samenstelling van het vliegtuig, iets wat we sinds de eerste GRB’s niet meer hebben begrepen”, zegt Ravasio.
De grotere piek van 10 MeV die de onderzoekers hebben waargenomen, komt doordat het energiespectrum wordt verschoven door de snel bewegende straal die de straling produceert, net zoals een ambulancesirene die naar je toe beweegt, luider klinkt.
Dit verschil betekende dat ze de snelheid konden berekenen van het straalvliegtuig dat de knal veroorzaakte, dat zich met 99,99 procent van de lichtsnelheid voortbewoog.
Het vinden van een GRB met een onderscheidende lijn is “een van de grootste verrassingen in ons vakgebied in meer dan tien jaar”, zegt Eric Burns van de Louisiana State University.
Burns, die hielp bij het analyseren van de originele gegevens die tot de ontdekking van GRB221009A leidden, presenteerde de resultaten op een conferentie met collega’s toen hij hoorde over de ontdekking van Ravasio. “Niemand van ons geloofde dat het artikel accuraat kon zijn”, zegt Burns. “We lazen de kop en ieder van ons zei: dit is verkeerd, dat kan onmogelijk goed zijn.”
Maar de analyse van Ravasio en haar collega’s blijkt te kloppen, zegt hij. “Het is behoorlijk verbazingwekkend. We hebben dit volledig gemist omdat we er niet eens naar zochten, omdat we er absoluut van overtuigd waren dat gammaflitsen geen lijnen hadden”, zegt Burns.
Het is mogelijk dat andere GRB’s spectrale pieken zoals deze hebben, wat misschien de moeite waard is om naar te zoeken, maar we konden deze waarschijnlijk alleen zien omdat hij afkomstig was van de helderste GRB aller tijden, zegt Burns.
Onderwerpen: