Illustration av hur satelliterna Swift och Fermi observerar en gammablixt. När strålningen med hög energi träffar atmosfären ger den också upphov till Cherenkov-strålning, som kan mätas med ett stort teleskop på marken. Bild: NASA/Fermi och Aurore Simonnet, Sonoma State University

– Redan innan var det ibland svårt att förklara hur den mest energirika strålningen uppkommer. Med de nya observationerna står det klart att helt andra fysikaliska processer måste till än vad vi tidigare använt i våra modeller, säger Magnus Axelsson, astrofysiker vid Stockholms universitet och medförfattare till två av de tre studier som nu publiceras i Nature.
 
De nya observationerna är gjorda av två olika stora internationella samarbetsprojekt och studierna som nu publiceras involverar hundratals forskare från hela världen, däribland Stockholms universitet och KTH i Sverige.  
 
Det var strax före kl 22 den 14 januari i år som två av NASA:s satelliter, Swift och Fermi, meddelade att en gammablixt detekterats i stjärnbilden Ugnen. Bara 50 sekunder senare började teleskopet Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) på kanarieön La Palma observera den angivna positionen. Man kunde då mäta strålning på över 1 000 giga-elektronvolt, vilket är tio gånger mer än det tidigare rekordet.
– Redan kort efter observationen stod det klart att man sett något utöver det vanliga, förklarar Magnus Axelsson. Strålningen som MAGIC-teleskopet mätte nådde väldigt höga energier, cirka 1 biljon gånger mer än synligt ljus. Det är denna observation som nu presenteras i en av artiklarna i Nature.

Samtidigt har observationer från teleskopet High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) i Namibias öken också analyserats. Där kunde man i juli 2018 mäta strålning på nästan 500 giga-elektronvolt från en gammablixt.

Magnus Axelsson. Foto: Stockholms universitet
Magnus Axelsson, astrofysiker, Institutionen för astronomi. Foto: Stockholms universitet


– Den stora överraskningen från H.E.S.S. var att denna strålning sågs hela tio timmar efter att gammablixten först detekterats, och varade i över två timmar, säger Magnus Axelsson.

Det är en både oväntad och viktig upptäckt. För att säkerställa resultatet analyserades datan i flera steg, och man jämförde med senare observationer av samma plats på himlen. Resultatet stod sig, och kräver nu att teorierna justeras.

En gammablixt per dag

Gammablixtar upptäcktes för första gången för cirka 50 år sedan, och i snitt observerar forskarna en per dag. Den vanligaste typen uppstår då en stjärna med mycket större massa än solen dör. Den inre kärnan kollapsar och bildar ett svart hål. I samband med detta frigörs enorma mängder energi, vilket ger upphov till smala jetstrålar av partiklar som skjuts iväg i nära ljusets hastighet. Strålarna tränger igenom stjärnans yttre lager, och fortsätter sedan ut i rymden.

När jetstrålarna kolliderar med omkringliggande materia ger även detta upphov till strålning, med energier som sakta avtar med tiden, ungefär som en glödande kolbit som sakta falnar.
– Denna långlivade strålning kan vi mäta i många olika våglängder, från gammastrålning till radiovågor, och den ger oss viktig information om både gammablixten själv och dess omgivning, säger Magnus Axelsson.

Ny teknik har använts

Hittills har gammablixtar i huvudsak observerats med hjälp av satelliter, eftersom jordens atmosfär inte släpper igenom gammastrålning. De nya upptäckterna är gjorda med en ny teknik, som letar efter de små pulser av ljus som bildas när strålning med tillräckligt hög energi träffar atmosfärens övre lager.
– Med hjälp av stora teleskop på marken kan man upptäcka dessa ljusglimtar, så kallad Cherenkov-strålning, och det är denna teknik som ligger bakom de nya upptäckterna.
 
Den tredje artikeln i Nature beskriver hur forskarna har kombinerat data från olika instrument i ett försök att testa olika teorier. Magnus Axelsson har även medverkat i denna studie och påpekar att den visar hur viktigt det är att observera i så många olika energiintervall som möjligt. Inte minst framhäver han vikten av Fermi-satelliten, som kan fungera som en ”brygga” och knyta ihop de nya observationerna med de som gjorts av andra instrument.
Men fortfarande finns många frågetecken kvar att reda ut och fler observationer kommer att behövas.
– De nya rönen banar vägen för nya sätt att utforska gammablixtar och hitta svar på frågor som forskare ställt i snart 50 år. Vi vet fortfarande inte vilka fysikaliska processer som ligger bakom strålningen med hög energi. Teorierna måste både kunna förklara hur den strålningen kan uppkomma så snabbt, och samtidigt dröja sig kvar så länge. Observationer som dessa ger oss också en möjlighet att testa några av fysikens mest grundläggande lagar, och har därmed betydelse för vår förståelse av universums uppbyggnad.

Gammablixt. Källa: NASA
I en gammablixt finns många processer som kan skapa strålning. Den första pulsen av strålning bildas inne i jetstrålen, till exempel då materia med olika hastighet kolliderar. När den främre delen av strålen träffar materia i rymden bildas en chockfront, som ger upphov till strålning i många olika våglängder. De nya observationerna visar att strålningen kan nå betydligt högre energier än vad som tidigare har varit känt. Bild: NASA's Goddard Space Flight Center


Artiklarna i den vetenskapliga tidskriften Nature:

Artikel utifrån observationerna från H.E.S.S: “A very-high-energy component deep in the γ-ray burst afterglow”

Artikel utifrån observationerna från MAGIC: ”Teraelectronvolt emission from the gamma-ray burst GRB 190114C”
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1750-x

Artikel utifrån observationer från flera satelliter: ”Observation of inverse Compton emission from a long gamma-ray burst”
 

Mer information om teleskopen:

MAGIC

H.E.S.S

Film

Filmen ”Overview Animation of Gamma-ray Burst” illustrerar hur forskare tänker sig att gammablixtar skapas. Källa: NASA's Goddard Space Flight Center.