Voor 10 jaar, NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope heeft de lucht gescand op gammastraaluitbarstingen (GRB's), de meest lichtgevende explosies van het universum. Een nieuwe catalogus van explosies met de hoogste energie geeft wetenschappers nieuwe inzichten in hoe ze werken.

"Elke burst is op de een of andere manier uniek, " zei Magnus Axelsson, een astrofysicus aan de Universiteit van Stockholm in Zweden. "Alleen wanneer we grote steekproeven kunnen bestuderen, zoals in deze catalogus, dat we de gemeenschappelijke kenmerken van GRB's beginnen te begrijpen. Deze geven ons op hun beurt aanwijzingen voor de fysieke mechanismen die aan het werk zijn."

De catalogus is gepubliceerd in de editie van 13 juni van: Het astrofysische tijdschrift en staat nu online. Meer dan 120 auteurs hebben bijgedragen aan het artikel, onder leiding van Axelsson, Elisabetta Bissaldi van het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Polytechnische Universiteit in Bari, Italië, en Nicola Omodei en Giacomo Vianello aan de Stanford University in Californië.

GRB's zenden gammastraling uit, de hoogste energievorm van licht. De meeste GRB's treden op wanneer sommige soorten massieve sterren geen brandstof meer hebben en instorten om nieuwe zwarte gaten te creëren. Anderen gebeuren wanneer twee neutronensterren, superdichte overblijfselen van stellaire explosies, samenvoegen. Beide soorten catastrofale gebeurtenissen creëren jets van deeltjes die bijna met de lichtsnelheid bewegen. De gammastralen worden geproduceerd bij botsingen van snel bewegend materiaal in de jets en wanneer de jets interageren met de omgeving rond de ster.

Astronomen kunnen de twee GRB-klassen onderscheiden door de duur van hun lagere energie-gammastraling. Korte uitbarstingen van fusies van neutronensterren duren minder dan 2 seconden, terwijl lange bursts meestal een minuut of langer duren. De nieuwe catalogus, waaronder 17 korte en 169 lange bursts, beschrijft 186 gebeurtenissen die zijn waargenomen door Fermi's Large Area Telescope (LAT) in de afgelopen 10 jaar.

Fermi observeert deze krachtige uitbarstingen met behulp van twee instrumenten. De LAT ziet op elk moment ongeveer een vijfde van de lucht en registreert gammastralen met energieën van meer dan 30 miljoen elektronvolt (MeV) - miljoenen keren de energie van zichtbaar licht. De Gamma-ray Burst Monitor (GBM) ziet de hele lucht die niet wordt geblokkeerd door de aarde en detecteert emissie van lagere energie. Alles verteld, de GBM heeft meer dan 2 gedetecteerd, 300 GRB's tot nu toe.

Hieronder vindt u een voorbeeld van vijf recordbrekende en intrigerende gebeurtenissen uit de LAT-catalogus die wetenschappers hebben geholpen meer te weten te komen over GRB's.

1. GRB 081102B

De korte burst 081102B, die plaatsvond in het sterrenbeeld Boötes op 2 november, 2008, is de kortste LAT-gedetecteerde GRB, slechts een tiende van een seconde duren. Hoewel deze uitbarsting verscheen in Fermi's eerste jaar van waarnemingen, het was niet opgenomen in een eerdere versie van de collectie die in 2013 werd gepubliceerd.

"De eerste LAT-catalogus identificeerde slechts 35 GRB's, " zei Bissaldi. "Dankzij verbeterde technieken voor gegevensanalyse, we konden enkele van de marginale waarnemingen in die steekproef bevestigen, en identificeer vijf keer zoveel bursts voor de nieuwe catalogus."

2. GRB 160623A

Langdurige uitbarsting 160623A, gespot op 23 juni, 2016, in het sterrenbeeld Cygnus, bleef bijna 10 uur schijnen op LAT-energieën - de langste burst in de catalogus. Maar bij de lagere energieën geregistreerd door Fermi's GBM-instrument, het werd slechts 107 seconden gedetecteerd. Dit grote verschil tussen de instrumenten bevestigt een trend waarnaar in de eerste LAT-catalogus wordt gesuggereerd. Voor zowel lange als korte bursts, de hoogenergetische gammastraling duurt langer dan de laagenergetische emissie en vindt later plaats.

3. GRB 130427A

De individuele gammastraling met de hoogste energie die werd gedetecteerd door Fermi's LAT bereikte 94 miljard elektronvolt (GeV) en reisde 3,8 miljard lichtjaar van het sterrenbeeld Leeuw. Het werd uitgezonden door 130427A, die ook het record heeft voor de meeste gammastraling - 17 - met energieën van meer dan 10 GeV.

Een populair model stelde voor dat geladen deeltjes in de jet, bewegen met bijna de snelheid van het licht, een schokgolf tegenkomen en plotseling van richting veranderen, daardoor gammastraling uitzenden. Maar dit model kan het recordbrekende licht van deze burst niet verklaren, wetenschappers dwingen hun theorieën te heroverwegen.

De originele bevindingen op 130427A laten zien dat het LAT-instrument zijn emissie twee keer zo lang heeft gevolgd als aangegeven in de catalogus. Door de grote steekproefomvang, het team hanteerde dezelfde gestandaardiseerde analyse voor alle GRB's, resulterend in iets andere aantallen dan gerapporteerd in de eerdere studie.

4. GRB 080916C

De verst bekende GRB vond plaats op 12,2 miljard lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Carina. Genaamd 080916C, onderzoekers berekenden dat de explosie de kracht van 9 bevatte 000 supernova's.

Telescopen kunnen GRB's tot op deze grote afstanden waarnemen omdat ze zo helder zijn, maar het lokaliseren van hun exacte afstand is moeilijk. Alleen van 34 van de 186 evenementen in de nieuwe catalogus zijn afstanden bekend.

5. GRB-090510

De bekende afstand tot 090510 hielp bij het testen van Einsteins theorie dat het weefsel van ruimte-tijd soepel en continu is. Fermi detecteerde op bijna hetzelfde moment zowel een hoogenergetische als een laagenergetische gammastraling. Na dezelfde afstand in dezelfde tijd te hebben afgelegd, ze lieten zien dat al het licht, ongeacht zijn energie, beweegt met dezelfde snelheid door het vacuüm van de ruimte.

"De totale gammastraling van 090510 duurde minder dan 3 minuten, toch stelde het ons in staat om deze zeer fundamentele vraag over de fysica van onze kosmos te onderzoeken, "Zei Omodei. "GRB's zijn echt een van de meest spectaculaire astronomische gebeurtenissen waarvan we getuige zijn."

Wat ontbreekt er?

GRB 170817A markeerde het eerste licht en rimpelingen in de ruimte-tijd, zwaartekrachtgolven genoemd, werden gedetecteerd door de samensmelting van twee neutronensterren. Het evenement werd vastgelegd door de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), de Virgo-interferometer en het GBM-instrument van Fermi, maar het werd niet waargenomen door de LAT omdat het instrument was uitgeschakeld toen het ruimtevaartuig door een gebied van Fermi's baan ging waar de deeltjesactiviteit hoog is.

"Nu LIGO en Maagd een nieuwe observatieperiode zijn begonnen, de astrofysica-gemeenschap zal uitkijken naar meer gezamenlijke GRB- en zwaartekrachtgolfgebeurtenissen", zei Judy Racusin, een co-auteur en adjunct-projectwetenschapper van Fermi bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Deze catalogus was een enorme teamprestatie, en het resultaat helpt ons meer te weten te komen over de populatie van deze evenementen en bereidt ons voor op het graven in toekomstige baanbrekende vondsten."

De Fermi Gamma-ray Space Telescope is een samenwerking op het gebied van astrofysica en deeltjesfysica beheerd door NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Fermi is ontwikkeld in samenwerking met het Amerikaanse ministerie van Energie, met belangrijke bijdragen van academische instellingen en partners in Frankrijk, Duitsland, Italië, Japan, Zweden en de Verenigde Staten.