Το Fermi της NASA εντόπισε έναν παράξενο παλμό ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας που αγωνίζεται προς τη Γη

Στις 26 Αυγούστου 2020, το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gamma Ray της NASA εντόπισε έναν παλμό ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας που αγωνίζεται προς τη Γη για σχεδόν το ήμισυ της ζωής του σημερινού σύμπαντος. Διαρκεί μόνο ένα δευτερόλεπτο, αποδείχθηκε ένα από τα βιβλία ρεκόρ – η πιο σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα (GRB) που προκλήθηκε από το θάνατο ενός τεράστιου αστεριού που έχει δει ποτέ.

Τα GRBs είναι τα πιο ισχυρά συμβάντα στο σύμπαν και μπορούν να ανιχνευθούν σε δισεκατομμύρια έτη φωτός. Οι αστρονόμοι το ταξινομούν ως μεγάλο ή μικρό με βάση το αν το συμβάν θα διαρκέσει περισσότερο από δύο δευτερόλεπτα ή λιγότερο. Έχουν παρατηρήσει μεγάλες εκρήξεις που σχετίζονται με την κατάρρευση τεράστιων αστεριών, ενώ οι μικρές έχουν συνδεθεί με ένα διαφορετικό σενάριο.

Οι αστρονόμοι συνέλεξαν δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gamma Ray της NASA, άλλες διαστημικές αποστολές και επίγεια παρατηρητήρια για να αποκαλύψουν την προέλευση του GRB 200826A, μια σύντομη αλλά ισχυρή έκρηξη ακτινοβολίας. Είναι η πιο σύντομη έκρηξη που είναι γνωστό ότι τροφοδοτήθηκε από ένα αστέρι που κατέρρευσε – και σχεδόν ποτέ δεν συνέβη. Πίστωση: Το διαστημικό κέντρο πτήσης Goddard της NASA

“Γνωρίζαμε ήδη ότι ορισμένα GRB από τεράστια αστέρια θα μπορούσαν να εγγραφούν ως σύντομα GRB, αλλά πιστεύαμε ότι αυτό οφείλεται σε μηχανιστικούς περιορισμούς”, δήλωσε ο Bin-bin Zhang του Πανεπιστημίου Nanjing στην Κίνα και το Πανεπιστήμιο της Νεβάδας στο Λας Βέγκας. “Αυτή η έκρηξη είναι ξεχωριστή επειδή είναι σίγουρα ένα βραχύβιο GRB, αλλά τα άλλα χαρακτηριστικά του δείχνουν την προέλευσή του από ένα αστέρι που καταρρέει. Γνωρίζουμε τώρα ότι τα πεθαμένα αστέρια μπορούν επίσης να προκαλέσουν μικρές εκρήξεις.”

Η έκρηξη ονομάστηκε GRB 200826A, μετά την ημερομηνία της εμφάνισής της, και αποτελεί αντικείμενο δύο εφημερίδων που δημοσιεύθηκαν στο Nature Astronomy τη Δευτέρα 26 Ιουλίου. Το πρώτο, με επικεφαλής τον Ζανγκ, διερευνά δεδομένα ακτίνων γάμμα. Το δεύτερο, με επικεφαλής τον Thomas Ahomada, διδακτορικό φοιτητή στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, το College Park και το Goddard Space Flight Center της NASA στο Greenbelt του Maryland, περιγράφει το ξεθώριασμα των πολλαπλών μήκους κύματος που εξασθενίζουν από τις αύρες GRB και το αναδυόμενο φως του επόμενου σουπερνόβα έκρηξη.

“Πιστεύουμε ότι αυτό το γεγονός ήταν ουσιαστικά μια αποτυχία, ένα γεγονός που πλησίαζε καθόλου”, δήλωσε ο Ahumada. “Ωστόσο, η έκρηξη απελευθέρωσε 14 εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από ολόκληρο τον Γαλαξία κατά την ίδια χρονική περίοδο, καθιστώντας το ένα από τα πιο ενεργά GRB μικρής εμβέλειας ποτέ.”

Όταν ένα αστέρι πολύ μεγαλύτερο από τον Ήλιο εξαντλείται από καύσιμα, ο πυρήνας του ξαφνικά καταρρέει και σχηματίζει μια μαύρη τρύπα. Καθώς το θέμα περιστρέφεται προς τη μαύρη τρύπα, μερικά από αυτά διαφεύγουν με τη μορφή δύο ισχυρών πίδακες που σπρώχνουν προς τα έξω με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός σε αντίθετες κατευθύνσεις. Οι αστρονόμοι ανιχνεύουν ένα GRB μόνο όταν ένας από αυτούς τους πίδακες τυχαίνει να δείχνει σχεδόν απευθείας προς τη Γη.

Κάθε αεριωθούμενο αεροπλάνο διέρχεται από το αστέρι, παράγοντας έναν παλμό ακτίνων γάμμα – την υψηλότερη ενεργειακή μορφή φωτός – που μπορεί να διαρκέσει έως και λεπτά. Μετά την έκρηξη, το γκρεμισμένο αστέρι επεκτείνεται γρήγορα σε σουπερνόβα.

Από την άλλη πλευρά, τα σύντομα GRB σχηματίζονται όταν ζεύγη συμπαγών αντικειμένων – όπως αστέρια νετρονίων, τα οποία σχηματίζονται επίσης κατά τη διάρκεια της αστρικής κατάρρευσης – συγκρούονται προς τα μέσα για δισεκατομμύρια χρόνια. Πρόσφατα, οι παρατηρήσεις του Fermi βοήθησαν να δείξουν ότι, σε κοντινούς γαλαξίες, οι γιγαντιαίες εκρήξεις από απομονωμένα αστέρια νετρονίων και υπερμαγνητικά αστέρια μεταμφιέζονται επίσης ως μικρές GRB.

Το GRB 200826A ήταν μια έντονη έκρηξη υψηλών εκπομπών ενέργειας που διήρκεσε μόνο 0,65 δευτερόλεπτα. Αφού ταξίδεψε για αρκετούς αιώνες στο διαστελλόμενο σύμπαν, το σήμα τεντώθηκε περίπου ένα δευτερόλεπτο όταν ανιχνεύθηκε από το όργανο Fermi παρατηρώντας την έκρηξη ακτίνων γάμμα. Η εκδήλωση εμφανίστηκε επίσης σε όργανα της αποστολής Wind της NASA, η οποία βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη και τον ήλιο περίπου 930.000 μίλια (1,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα) μακριά, και τον Mars Odyssey, ο οποίος βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον κόκκινο πλανήτη από το 2001. ESA (European Space Continuity Ο δορυφόρος INTEGRAL του οργανισμού εξερράγη επίσης.

Όλες αυτές οι αποστολές συμμετέχουν σε ένα σύστημα εντοπισμού θέσης GRB που ονομάζεται Διεθνές Πλανητικό Δίκτυο (IPN), για το οποίο το Πρόγραμμα Fermi παρέχει όλη τη χρηματοδότηση των ΗΠΑ. Δεδομένου ότι ο παφλασμός φτάνει σε κάθε ανιχνευτή σε ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους, οποιοδήποτε ζευγάρι από αυτά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιορίσει πού βρίσκεται στον ουρανό. Περίπου 17 ώρες μετά το GRB, το IPN περιόρισε τη θέση του σε ένα σχετικά μικρό κομμάτι ουρανού στον αστερισμό της Ανδρομέδας.

Χρησιμοποιώντας το Zwicky Transit Facility (ZTF) που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Επιστημονικό Ίδρυμα στο Παρατηρητήριο Palomar, η ομάδα σάρωσε τον ουρανό για αλλαγές στο ορατό φως που θα μπορούσαν να συνδεθούν με τις εξασθενημένες αύρες GRB.

Εντοπίστηκε εικόνα εξασθένισης αύρας GRB 200826A (κέντρο). Πίστωση: ZTF και T. Ahumada et al. , 2021

«Η πραγματοποίηση αυτής της έρευνας είναι σαν να προσπαθείς να βρεις μια βελόνα σε άχυρα, αλλά το IPN βοηθά στη συρρίκνωση της θυμωνιάς χόρτου», δήλωσε η Shreya Anand, απόφοιτος φοιτητής στο Caltech και συν-συγγραφέας της εφημερίδας Twilight. “Από τις περισσότερες από 28.000 ειδοποιήσεις ZTF την πρώτη νύχτα, μόνο μία πληρούσε όλα τα κριτήρια αναζήτησης και εμφανίστηκε επίσης στην περιοχή ουρανού που καθορίζεται από το IPN.”

Μέσα σε μια μέρα από την έκρηξη, το Neil Gehrells Swift Observatory της NASA εντόπισε μια εκπομπή ακτίνων Χ που εξασθενεί από την ίδια τοποθεσία. Δύο ημέρες αργότερα, μια μεταβλητή εκπομπή ραδιοφώνου εντοπίστηκε από το Karl Jansky Very Large Array του Εθνικού Αστεροσκοπικού Παρατηρητηρίου Αστρονομίας στο Νέο Μεξικό. Στη συνέχεια, η ομάδα άρχισε να παρατηρεί την αύρα με ποικίλες εγκαταστάσεις εδάφους.

Παρατηρώντας τον εξασθενημένο γαλαξία που σχετίζεται με την έκρηξη χρησιμοποιώντας το Gran Telescopio Canarias, ένα τηλεσκόπιο 10,4 μέτρων στο Παρατηρητήριο Roque de los Muchachos στη Λα Πάλμα των Καναρίων Νήσων της Ισπανίας, η ομάδα έδειξε ότι το φως του διαρκεί 6,6 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει σε εμάς. Αυτό αντιπροσωπεύει το 48% της τρέχουσας ηλικίας του σύμπαντος των 13,8 δισεκατομμυρίων ετών.

Αλλά για να αποδείξουν ότι αυτή η μικρή έκρηξη προήλθε από την κατάρρευση ενός αστεριού, οι ερευνητές έπρεπε επίσης να συλλάβουν την αναδυόμενη σουπερνόβα.

«Εάν η έκρηξη προκλήθηκε από την κατάρρευση ενός άστρου, τότε όταν η επόμενη αύρα εξασθενίσει, θα πρέπει να ανάψει ξανά λόγω της πρωτεύουσας έκρηξης των σουπερνόβα», δήλωσε ο Leo Singer, αστροφυσικός στο Goddard και σύμβουλος της έρευνας Ahumada. “Αλλά σε αυτές τις αποστάσεις, χρειάζεστε ένα πολύ μεγάλο, πολύ ευαίσθητο τηλεσκόπιο για να συλλάβετε το σημείο του φωτός από την σουπερνόβα από το φόντο του γαλαξία του ξενιστή.”

Για τη διεξαγωγή της έρευνας, δόθηκε χρόνος στον Singer στο 8,8 μέτρα Gemini North Telescope στη Χαβάη και χρησιμοποιώντας ένα ευαίσθητο όργανο που ονομάζεται Gemini Multi-Object Spectrometer. Οι αστρονόμοι απεικόνισαν τον γαλαξία του ξενιστή σε κόκκινο και υπέρυθρο φως ξεκινώντας 28 ημέρες μετά την έκρηξη, επαναλαμβάνοντας την αναζήτηση 45 και 80 ημέρες μετά το συμβάν. Εντόπισαν μια πηγή υπερύθρων – μια σουπερνόβα – στο πρώτο σύνολο παρατηρήσεων που δεν μπορούν να φανούν σε επόμενες παρατηρήσεις.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η έκρηξη προκλήθηκε από αεριωθούμενα αεροπλάνα που μόλις βγήκαν από το αστέρι πριν κλείσουν, παρά τη συνηθέστερη περίπτωση όπου εκτοξεύονται αεροσκάφη μεγάλης διάρκειας από το αστέρι και ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις από αυτό. Εάν η μαύρη τρύπα εκπέμπει ασθενέστερα αεροσκάφη ή εάν το αστέρι ήταν πολύ μεγαλύτερο όταν άρχισε να καταρρέει, μπορεί να μην υπήρχε καθόλου GRB.

Αυτή η ανακάλυψη βοηθά στην επίλυση ενός μόνιμου μυστηρίου. Ενώ τα μακρά GRBs πρέπει να συσχετίζονται με σουπερνόβα, οι αστρονόμοι ανακαλύπτουν πολύ μεγαλύτερο αριθμό υπερκαινοφανών από τους μεγάλους. Αυτή η ασυμφωνία παραμένει ακόμη και αφού ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι οι GRB πρέπει να πλησιάσουν την οπτική γωνία μας, ώστε οι αστρονόμοι να τις εντοπίσουν καθόλου.

Οι ερευνητές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα καταρρέοντα αστέρια που παράγουν σύντομα GRBs πρέπει να είναι περιθωριακές καταστάσεις που κυμαίνονται με την ταχύτητα του φωτός στο χείλος της επιτυχίας ή της αποτυχίας, ένα συμπέρασμα που συνάδει με την ιδέα ότι τα περισσότερα τεράστια αστέρια πεθαίνουν χωρίς να παράγουν καθόλου πίδακες και GRB. Ευρύτερα, αυτό το αποτέλεσμα καταδεικνύει ξεκάθαρα ότι η διάρκεια της έκρηξης από μόνη της δεν δείχνει μοναδικά την πηγή της.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

«Μια περίεργη βραχύβια έκρηξη ακτίνων γάμμα ως αποτέλεσμα της κατάρρευσης του πυρήνα ενός τεράστιου αστεριού» από τον B.-B. Τσανγκ, Ζ.-Κ. Λιου, Ζ.-Κ. Bing, Y. Lee, H.-C. Lu, J. Yang, Y.-S. Γιανγκ, Υ.-Η. Γιανγκ, Υ.-Ζ. Μενγκ, γ. Zou, H.-Y. Ναι, X.-G. Wang, J.-R. Μάο, X.-H. Τσόου, γ. Bay, A. G .; Castro; Tirado, Y.-D. Αυτός, Z.-G. Ημέρα, Ε .; Liang and B. Zhang, 26 Ιουλ 2021, Διαθέσιμο εδώ. φυσική αστρονομία.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01395-z

«Ανακάλυψη και επιβεβαίωση της συντομότερης έκρηξης του Gamma Ray από την κατάρρευση» του Thomas Ahomada, Leo B. Singer, Shreya Anand, Michael W. Coughlin, Mansi M. , Harsh Kumar, Peter TH Pang, Eric Burns, Virginia Cunningham, Simone Dichiara, Tim Dietrich, Dimitri S. Svenkin, Moza Mwala, Alberto J. Astro-Tirado, Keshalai D., Rachel Dunwoody, Pradeep Jatkin, Erica Hammerstein, Shabnam Iani, Joseph Mangan, Dan Burley, Sonalika Burkayasta, Eric Belm, Varun Bhalerau, Bryce Bolin, Mattia Paula, Christopher Canella, Poonam Chandra, Dmitri A. Dove, Dmitri Fredericks, Avishai Gal Yam, Matthew Graham, Anna Y Qiu Ho, Kevin Hurley, Viraj Karampilkar, Eric C. Cole, SR Kulkarni, Ashish Mahabal, Frank Massey, Sheila McBrain, Shashi B Pandey, Simeon Riosch, Anna Rednaya, Philip Rosnett, Benjamin Rusholme, Anna Sagues Carracedo, Roger Smith, Mayan Somaniak, Robert Stein, Eleonora Troga, Anastasia Tsvetkova, Richard Walters A Azmeh Valev, 26 Ιουλίου 2021, φυσική αστρονομία.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01428-7

Το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gamma Ray είναι μια συνεργασία στην αστροφυσική και τη σωματιδιακή φυσική που διαχειρίζεται το διαστημικό κέντρο πτήσης Goddard της NASA στο Greenbelt του Μέριλαντ. Το Fermi αναπτύχθηκε σε συνεργασία με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, με σημαντικές συνεισφορές από ακαδημαϊκά ιδρύματα και συνεργάτες στη Γαλλία, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Ιαπωνία, τη Σουηδία και τις Ηνωμένες Πολιτείες.