In een oogwenk, een massieve ster op meer dan 2 miljard lichtjaar afstand verloor een miljoen jaar durende strijd tegen de zwaartekracht en stortte in, een supernova veroorzaken en in het midden een zwart gat vormen.

Dit pasgeboren zwarte gat braakte een vluchtige maar verbazingwekkend intense flits van gammastralen uit, bekend als een gammastraaluitbarsting (GRB) naar de aarde, waar het werd gedetecteerd door NASA's Neil Gehrels Swift Observatory op 19 december 2016.

Terwijl de gammastralen van de burst amper zeven seconden later uit het zicht verdwenen, langere golflengten van licht van de explosie, inclusief röntgenstraling, zichtbaar licht, en radio - bleef wekenlang schitteren. Hierdoor konden astronomen de nasleep van deze fantastisch energieke gebeurtenis bestuderen, bekend als GRB 161219B, met veel observatoria op de grond, inclusief de Very Large Array van de National Science Foundation.

De unieke mogelijkheden van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), echter, stelde een team van astronomen in staat om een ​​uitgebreide studie te maken van deze explosie op millimetergolflengten, het verkrijgen van nieuwe inzichten in deze specifieke GRB en de grootte en samenstelling van zijn krachtige jets.

"Aangezien ALMA licht met een millimetergolflengte ziet, die informatie bevat over hoe de jets omgaan met het omringende stof en gas, het is een krachtige sonde van deze gewelddadige kosmische explosies, " zei Tanmoy Laskar, een astronoom aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en een Jansky Postdoctoral Fellow van het National Radio Astronomy Observatory. Laskar is hoofdauteur van de studie, die verschijnt in de Astrofysisch tijdschrift .

Dankzij deze waarnemingen konden de astronomen ALMA's allereerste time-lapse-film maken van een kosmische explosie, die een verrassend langdurige omgekeerde schokgolf onthulde van de explosie die terugkaatste door de jets. "Met ons huidige begrip van GRB's, we zouden normaal gesproken verwachten dat een omgekeerde schok slechts enkele seconden duurt. Deze duurde een flink deel van een hele dag, ' zei Laskar.

Een omgekeerde schok treedt op wanneer materiaal dat door zijn stralen van een GRB wordt weggeblazen, in het omringende gas terechtkomt. Deze ontmoeting vertraagt ​​het ontsnappende materiaal, het sturen van een schokgolf terug naar beneden de jet.

Aangezien jets naar verwachting niet langer dan een paar seconden meegaan, een omgekeerde schok zou een even kortdurende gebeurtenis moeten zijn. Maar dat blijkt nu niet het geval te zijn.

"Al decenia, astronomen dachten dat deze omgekeerde schok een heldere flits van zichtbaar licht zou produceren, die tot nu toe erg moeilijk te vinden was, ondanks zorgvuldige zoekacties. Onze ALMA-waarnemingen laten zien dat we misschien op de verkeerde plaats hebben gezocht, en dat millimeterwaarnemingen onze beste hoop zijn om dit kosmische vuurwerk te vangen, " zei Carole Mundell van de Universiteit van Bath, en co-auteur van de studie.

In plaats daarvan, het licht van de omgekeerde schok schijnt het helderst op de millimetergolflengten op tijdschalen van ongeveer een dag, wat hoogstwaarschijnlijk de reden is waarom het eerder zo moeilijk te detecteren was. Terwijl het vroege millimeterlicht werd gecreëerd door de omgekeerde schok, de röntgenstraling en het zichtbare licht kwamen van de schokgolf die voor de jet uitreed.

"Wat uniek was aan dit evenement, "Laskar voegt eraan toe, "is dat toen de omgekeerde schok de jet binnenkwam, het bracht langzaam maar continu de energie van de jet over in de voorwaarts bewegende explosiegolf, waardoor de röntgenstraling en het zichtbare licht veel langzamer vervagen dan verwacht. Astronomen hebben zich altijd afgevraagd waar deze extra energie in de explosiegolf vandaan komt. Met dank aan ALMA, we weten dat deze energie - tot 85 procent van het totaal in het geval van GRB 161219B - verborgen is in langzaam bewegend materiaal in de jet zelf."

De heldere omgekeerde schokemissie vervaagde binnen een week. De explosiegolf scheen toen door in de millimeterband, geeft ALMA de kans om de geometrie van de jet te bestuderen.

Het zichtbare licht van de explosiegolf op dit kritieke moment, wanneer de uitstroom net genoeg is vertraagd om de hele straal op aarde zichtbaar te maken, werd overschaduwd door de opkomende supernova van de geëxplodeerde ster. Maar de waarnemingen van ALMA, onbelast door supernovalicht, stelde de astronomen in staat om de openingshoek van de uitstroom van de jet te beperken tot ongeveer 13 graden.

Het begrijpen van de vorm en duur van de uitstroom van de ster is essentieel voor het bepalen van de ware energie van de burst. In dit geval, de astronomen ontdekken dat de jets evenveel energie bevatten als onze zon in een miljard jaar uitstraalt.

"Dit is een fantastische hoeveelheid energie, maar het is eigenlijk een van de minst energieke gebeurtenissen die we ooit hebben gezien. Waarom dit zo is, blijft een mysterie, " zegt Kate Alexander, een afgestudeerde student aan de Harvard University die de VLA-waarnemingen leidde die in deze studie worden gerapporteerd. "Hoewel op meer dan twee miljard lichtjaar afstand, deze GRB is eigenlijk de dichtstbijzijnde gebeurtenis waarvoor we de gedetailleerde eigenschappen van de uitstroom hebben gemeten, dankzij de gecombineerde kracht van ALMA en de VLA."

de VLA, die op langere golflengten waarneemt, bleef de radio-emissie van de omgekeerde schok observeren nadat deze uit het zicht van ALMA was verdwenen.

Dit is pas de vierde gammaflits met een overtuigende, multi-frequentie detectie van een omgekeerde schok, merken de onderzoekers op. Het materiaal rond de instortende ster was ongeveer 3, 000 times less dense than the average density of gas in our galaxy, and these new ALMA observations suggest that such low-density environments are essential for producing reverse shock emission, which may explain why such signatures are so rare.

"Our rapid-response observations highlight the key role ALMA can play in following up transients, revealing the energy source that powers them, and using them to map the physics of the universe to the dawn of the first stars, " concludes Laskar. "In particular, our study demonstrates that ALMA's superb sensitivity and new rapid-response capabilities makes it the only facility that can routinely detect reverse shocks, allowing us to probe the nature of the relativistic jets in these energetic transients, and the engines that launch and feed them."