Een bizarre gammastraaluitbarsting overtreedt de regels voor deze kosmische uitbarstingen

Astronomen hebben een heldere gammastraaluitbarsting ontdekt die eerdere theorieën over het ontstaan ​​van deze energetische kosmische uitbarstingen op zijn kop zet.

Decennia lang dachten astronomen dat GRB’s in twee smaken kwamen, lang en kort – dat wil zeggen langer dan twee seconden duren of sneller uitklikken. Elk type is gekoppeld aan verschillende kosmische gebeurtenissen. Maar ongeveer een jaar geleden vingen twee NASA-ruimtetelescopen een korte GRB in de kleding van een lange GRB: het duurde lang maar was afkomstig van een korte GRB-bron.

“We hadden deze zwart-witvisie van het universum”, zegt astrofysicus Eleonora Troja van de Tor Vergata Universiteit van Rome. “Dit is de rode vlag die ons vertelt, nee, dat is het niet. Verrassing!”

Deze uitbarsting, genaamd GRB 211211A, is de eerste die ondubbelzinnig het binaire getal doorbreekt, melden Troja en anderen op 7 december in vijf kranten in Natuur en Natuur Astronomie.

Voorafgaand aan de ontdekking van deze uitbarsting dachten astronomen meestal dat er slechts twee manieren waren om een ​​GRB te produceren. De ineenstorting van een massieve ster vlak voordat hij explodeert in een supernova kan een lange gammastraaluitbarsting veroorzaken die meer dan twee seconden duurt (SN: 28-10-22). Of een paar dichte stellaire lijken die neutronensterren worden genoemd, kunnen botsen, samensmelten en een nieuw zwart gat vormen, waarbij een korte gammastraaluitbarsting van twee seconden of minder vrijkomt.

Maar er waren enkele uitschieters. Een verrassend korte GRB in 2020 leek te komen van de implosie van een enorme ster (SN: 8/2/21). En sommige langdurige GRB’s die dateren uit 2006 misten achteraf een supernova, wat vragen opriep over hun oorsprong.

“We hebben altijd geweten dat er een overlap was”, zegt astrofysicus Chryssa Kouveliotou van de George Washington University in Washington, DC, die de Paper uit 1993 waarin de twee GRB-categorieën werden geïntroduceerd, maar was niet betrokken bij het nieuwe werk. “Er waren enkele uitschieters die we niet wisten te interpreteren.”

GRB 211211A bestaat niet zo’n mysterie: de uitbarsting duurde meer dan 50 seconden en ging duidelijk gepaard met een kilonova, de karakteristieke gloed van nieuwe elementen die werden gesmeed na het instorten van een neutronenster.

“Hoewel we vermoedden dat het mogelijk was dat GRB’s met verlengde emissie fusies waren… is dit de eerste bevestiging”, zegt astrofysicus Benjamin Gompertz van de Universiteit van Birmingham in Engeland, die beschrijft waarnemingen van de uitbarsting in Natuur Astronomie. “Het heeft de kilonova, dat is het rokende pistool.”

NASA’s Swift- en Fermi-ruimtetelescopen ontdekten de explosie op 11 december 2021 in een melkwegstelsel op ongeveer 1,1 miljard lichtjaar afstand. “We dachten dat het een gewone lange gammastraaluitbarsting was”, zegt astrofysicus Wen-fai Fong van de Northwestern University in Evanston, Illinois.

Het was relatief dichtbij, zoals GRB’s gaan. Dus dat stelde de onderzoeksgroepen van Fong en Troja in staat onafhankelijk nauwgezet voortzetten observeren de uitbarsting tot in detail met behulp van telescopen op de grond, rapporteren de teams Natuur.

Naarmate de weken vorderden en er geen supernova verscheen, raakten de onderzoekers in de war. Uit hun observaties bleek dat wat de GRB ook had gemaakt, ook veel meer optisch en infrarood licht had uitgestraald dan typisch is voor de bron van een lange GRB.

Nadat ze andere verklaringen hadden uitgesloten, vergeleken Troja en collega’s de nawerkingen van de uitbarsting met de eerste kilonova die ooit werd waargenomen in samenhang met rimpelingen in de ruimtetijd die zwaartekrachtgolven worden genoemd (SN: 16-10-2017). De wedstrijd was bijna perfect. “Toen raakten veel mensen ervan overtuigd dat we het over een kilonova hadden”, zegt ze.

Achteraf voelt het voor de hand liggend dat het een kilonova was, zegt Troja. Maar op dit moment voelde het net zo onmogelijk als het zien van een leeuw in het noordpoolgebied. “Het ziet eruit als een leeuw, het brult als een leeuw, maar het zou hier niet moeten zijn, dus het kan niet zijn”, zegt ze. “Dat is precies wat we voelden.”

Nu is de vraag, wat is er gebeurd? Meestal storten samensmeltende neutronensterren vrijwel onmiddellijk in elkaar tot een zwart gat. De gammastraling is afkomstig van materiaal dat oververhit raakt als het in het zwarte gat valt, maar het materiaal is schaars en het zwarte gat slokt het binnen twee seconden op. Dus hoe hield GRB 211211A zijn licht bijna een minuut aan?

Het is mogelijk dat de neutronensterren eerst versmolten tot een enkele, grotere neutronenster, die kortstondig weerstand bood aan de druk om in te storten tot een zwart gat. Dat heeft implicaties voor de fundamentele fysica die beschrijft hoe moeilijk het is om neutronen tot een zwart gat te verpletteren, zegt Gompertz.

Een andere mogelijkheid is dat een neutronenster in botsing is gekomen met een klein zwart gat, ongeveer vijf keer de massa van de zon, in plaats van met een andere neutronenster. En het proces van het zwarte gat dat de neutronenster opeet duurde langer.

Of het had iets heel anders kunnen zijn: a neutronenster versmelt met een witte dwergsuggereren astrofysicus Bing Zhang van de Universiteit van Nevada, Las Vegas en collega’s in Natuur. “We stellen een derde type voorloper voor, iets heel anders dan de vorige twee typen”, zegt hij.

Witte dwergen zijn de overblijfselen van kleinere sterren zoals de zon, en zijn niet zo dicht of compact als neutronensterren. Een botsing tussen een witte dwerg en een neutronenster kan nog steeds een kilonova produceren als de witte dwerg erg zwaar is.

Het resulterende object zou een sterk gemagnetiseerde neutronenster kunnen zijn, een magnetar genaamd (SN: 1/12/20). De magnetar zou door kunnen gaan met het pompen van energie in gammastraling en andere golflengten van licht, waardoor de levensduur van de uitbarsting is verlengd, zegt Zhang.

Wat de oorsprong ook is, GRB 211211A is een groot probleem voor de natuurkunde. “Het is belangrijk omdat we wilden begrijpen, wat zijn deze gebeurtenissen in vredesnaam?” zegt Kouveliotou.

Uitzoeken wat de oorzaak was, zou kunnen verhelderen hoe zware elementen in het universum zich vormen. En sommige eerder geziene lange GRB’s waarvan wetenschappers dachten dat ze afkomstig waren van supernova’s, zouden eigenlijk van fusies kunnen zijn.

Om meer te leren, moeten wetenschappers meer van deze binary-busting GRB’s vinden, plus observaties van zwaartekrachtgolven op hetzelfde moment. Trejo denkt dat ze dat kunnen krijgen wanneer de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, of LIGO, in 2023 weer online komt.

“Ik hoop dat LIGO enig bewijs zal leveren”, zegt Kouveliotou. “De natuur is misschien gracieus en geeft ons een paar van deze gebeurtenissen met tegenhangers van zwaartekrachtgolven, en misschien [help us] begrijpen wat er aan de hand is.”