Behalve zwarte gaten, magnetars zijn misschien wel de meest extreme sterren in het heelal. Met een diameter kleiner dan de lengte van Manhattan, ze bevatten meer massa dan die van onze zon, hanteren het grootste magnetische veld van alle bekende objecten - meer dan 10 biljoen keer sterker dan een koelkastmagneet - en draaien om de paar seconden om hun assen.

Een type neutronenster - het overblijfsel van een supernova-explosie - magnetars zijn zo sterk gemagnetiseerd dat zelfs bescheiden verstoringen in het magnetische veld uitbarstingen van röntgenstraling kunnen veroorzaken die sporadisch weken of maanden aanhouden.

Deze exotische, Van compacte sterren wordt ook gedacht dat ze de bron zijn van sommige soorten korte gammastraaluitbarstingen (GRB's):heldere flitsen van hoogenergetische straling die astronomen in verwarring hebben gebracht sinds ze voor het eerst werden ontdekt in de jaren zeventig. Verschillende van deze gigantische magnetische zonnevlammen zijn gedetecteerd in het Melkwegstelsel. Maar omdat ze zo intens zijn dat ze detectoren verzadigen, en waarnemingen in de melkweg worden verduisterd door stof, ruimtewetenschapper Kevin Hurley aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en een internationaal team van astronomen is op zoek geweest naar dezelfde uitbarstingen in sterrenstelsels buiten de onze om een ​​duidelijker beeld te krijgen.

Die inspanning van 45 jaar werpt zijn vruchten af. Een korte gammastraaluitbarsting die afgelopen 15 april werd gedetecteerd vanuit een sterrenstelsel op 11,4 miljoen lichtjaar afstand, toont een duidelijke signatuur die volgens Hurley astronomen zou kunnen helpen om magnetaruitbarstingen gemakkelijker te vinden en uiteindelijk de gegevens te verzamelen die nodig zijn om de vele theorieën te controleren die magnetars en hun gammastraal verklaren fakkels.

"We hebben volgens ons vier solide detecties sinds 1979 van extragalactische gigantische magnetische uitbarstingen, twee van hen bijna identieke uitbarstingen van verschillende sterrenstelsels, " zei Hurley, een senior space fellow bij het Space Sciences Laboratory van UC Berkeley. "Het doet ons geloven dat er een soort sjabloon opduikt waarmee we ze in de toekomst sneller kunnen identificeren. Ik hoop dat het tempo nu zal versnellen omdat we veel beter weten waar we naar op zoek zijn. "

Hurley en drie collega's zullen woensdag tijdens een mediabriefing verslag uitbrengen over de GRB-ontdekking door verschillende Amerikaanse en Europese satellieten en de implicaties ervan. 13 januari op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Astronomical Society en in drie artikelen die gelijktijdig in de tijdschriften verschijnen Natuur en Natuurastronomie .

Gigantische magnetische uitbarstingen

GRB's, de krachtigste explosies in de kosmos, kan worden gedetecteerd over miljarden lichtjaren. De meeste duren minder dan ongeveer twee seconden, korte GRB's genoemd, ontstaan ​​wanneer een paar in een baan om de aarde draaiende neutronensterren in elkaar spiraliseren en samensmelten. Astronomen bevestigden dit scenario voor ten minste enkele korte GRB's in 2017, toen een uitbarsting volgde op de komst van zwaartekrachtsgolven - rimpelingen in de ruimte-tijd - geproduceerd toen neutronensterren op 130 miljoen lichtjaar afstand samensmolten.

Maar niet alle korte GRB's passen in het fusieprofiel van neutronensterren, zei Hurley. specifiek, van de 29 magnetars in ons Melkwegstelsel waarvan bekend is dat ze af en toe röntgenactiviteit vertonen, twee hebben gigantische fakkels geproduceerd die verschillen van de uitbarstingen van deze fusies.

De meest recente van deze detecties was op 27 december, 2004, een gebeurtenis die meetbare veranderingen veroorzaakte in de bovenste atmosfeer van de aarde, ondanks de uitbarsting van een magnetar op ongeveer 28, 000 lichtjaren verwijderd.

Sinds eind jaren zeventig is Hurley heeft het InterPlanetary Network (IPN) geëxploiteerd, een 24/7 inspanning om door gegevens van veel ruimtevaartuigen te ploegen - momenteel vijf, het vastleggen van zo'n 325 gamma-uitbarstingen per jaar - in de hoop meer gigantische magnetar-uitbarstingen te vinden. Dat netwerk was de sleutel tot het vastleggen van de 15 april, 2020, gloed.

Kort voor 04.42 uur EDT op die woensdag, een korte, krachtige uitbarsting van röntgenstralen en gammastralen schoof langs Mars, het activeren van de Russische High Energy Neutron Detector aan boord van NASA's Mars Odyssey-ruimtevaartuig, die sinds 2001 om de planeet draait. Ongeveer 6,6 minuten later, de burst veroorzaakte het Russische Konus-instrument aan boord van NASA's Wind-satelliet, die rond een punt draait tussen de aarde en de zon op ongeveer 930, 000 mijl (1,5 miljoen kilometer) verwijderd. Na nog eens 4,5 seconden, de straling passeerde de aarde, triggerende instrumenten op NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope en de INTEGRAL-satelliet van de European Space Agency.

Analyse van gegevens van de Burst Alert Telescope (BAT) op NASA's Neil Gehrels Swift Observatory gaf extra inzicht in de gebeurtenis.

Deze gegevens toonden aan dat de stralingspuls slechts 140 milliseconden duurde, een oogwenk.

Hurley en Dmitry Svinkin van het Russische Ioffe Instituut, een lid van het IPN-team, gebruik gemaakt van de aankomsttijden gemeten door de Fermi, Snel, Wind, Mars Odyssey en INTEGRAL-missies om de locatie van de uitbarsting van 15 april te bepalen, genaamd GRB 200415A, vierkant in het centrale gebied van NGC 253, een helder spiraalstelsel op ongeveer 11,4 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Beeldhouwer. Dit is de meest nauwkeurige hemelpositie die tot nu toe is bepaald voor een magnetar die zich buiten de Grote Magelhaense Wolk bevindt, een satelliet van onze melkweg en gastheer in 1979 tot de eerste gigantische zonnevlam die ooit is gedetecteerd.

"Dit was tot nu toe de meest nauwkeurig gelokaliseerde magnetar buiten onze melkweg, en we hebben het nu echt vastgepind, niet alleen naar een sterrenstelsel, maar een deel van een melkwegstelsel waar we verwachten dat er stervorming plaatsvindt, en sterren exploderen. Dat is waar de supernova's zouden moeten zijn en de magnetars, te, "Zei Hurley. "Het evenement van 15 april is een game changer."

Flitsen van een vuurtoren

De gigantische fakkels die in de Melkweg te zien zijn, zien er vanwege de afstand een beetje anders uit dan die van nabije sterrenstelsels. Astronomen hebben gedocumenteerd dat gigantische uitbarstingen van magnetars in de Melkweg en zijn satellieten op een verschillende manier evolueren, met een snelle stijging tot piekhelderheid gevolgd door een meer geleidelijke staart van fluctuerende emissie. Deze variaties zijn het gevolg van de rotatie van de magnetar, die de fakkellocatie herhaaldelijk in en uit het zicht van de aarde brengt, net als een vuurtoren.

Het observeren van deze fluctuerende staart is het overtuigende bewijs van een gigantische fakkel - een rokend pistool, zei Hurley. Voor magnetische uitbarstingen op miljoenen lichtjaren afstand, echter, deze emissie is te zwak om te detecteren met de instrumenten van vandaag. Om deze reden, gigantische fakkels in onze galactische omgeving kunnen worden verward met verder weg gelegen en krachtige GRB's van het fusietype.

De nieuwe waarnemingen onthullen meerdere pulsen, met de eerste die in slechts 77 microseconden verschijnt - ongeveer 13 keer de snelheid van een cameraflits en bijna 100 keer sneller dan de opkomst van de snelste GRB's geproduceerd door fusies.

"De combinatie van de stijgtijd en de vervaltijd, we denken, laat ons misschien een sjabloon zien, omdat we het eerder hebben gezien - we zagen het in 2005, met een ander evenement, bijna de doorslag. En het energiespectrum van de twee was ook vergelijkbaar, ' zei Hurley.

Fermi's Gamma-ray Burst Monitor detecteerde ook snelle variaties in energie in de loop van de flare die nog nooit eerder zijn waargenomen.

"Reuzenuitbarstingen in onze melkweg zijn zo briljant dat ze onze instrumenten overweldigen, hen achter te laten om hun geheimen vast te houden, " zei Oliver Roberts, een associate scientist bij het Science and Technology Institute van de Universities Space Research Association in Huntsville, Alabama, die de studie van Fermi-gegevens leidde. "Voor de eerste keer, GRB 200415A en verre fakkels zoals deze stellen onze instrumenten in staat om elke functie vast te leggen en deze krachtige uitbarstingen in ongeëvenaarde diepte te verkennen."

Starquakes en heraansluiting van magnetische velden

Gigantische fakkels worden slecht begrepen, maar astronomen denken dat ze het gevolg zijn van een plotselinge herschikking van het magnetische veld van de magnetar. Een mogelijkheid is dat het veld hoog boven het oppervlak te verdraaid raakt, plotseling energie vrijgeven als het zich nestelt in een stabielere configuratie. Een mechanisch falen van de korst van de magnetar - een sterbeving - kan de plotselinge herconfiguratie veroorzaken.

"Het idee is dat je dit supersterke magnetische veld uit de ster laat komen, maar verankerd in de korst, en het magnetische veld kan verdraaien, druk uitoefenen op de korst. De korst heeft een elastische limiet, en nadat je die elastische limiet hebt overschreden, het barst. Vervolgens, die barst zendt golven uit in het magnetische veld, en die golven verstoren het veld, en je kunt opnieuw verbinding krijgen en energie vrijgeven en gammastralen, ' zei Hurley.

Roberts en zijn collega's zeggen dat de gegevens enig bewijs van seismische trillingen tijdens de uitbarsting laten zien. De onderzoekers zeggen dat deze emissie voortkwam uit een wolk van uitgestoten elektronen en positronen die met ongeveer 99% van de lichtsnelheid bewogen. De korte duur van de emissie en de veranderende helderheid en energie weerspiegelen de rotatie van de magnetar, op en neer gaan als de koplampen van een auto die een bocht maakt. Roberts beschrijft het als beginnend als een ondoorzichtige klodder - hij stelt zich het voor als een fotontorpedo uit de "Star Trek"-franchise - die zich uitbreidt en verspreidt terwijl hij reist.

De torpedo speelt ook een rol in een van de grootste verrassingen van het evenement. De röntgenstralen met de hoogste energie die zijn geregistreerd door de Gamma-Burst Monitor bereikten 3 miljoen elektronvolt (MeV), of ongeveer 1 miljoen keer de energie van blauw licht. Het belangrijkste instrument van de satelliet, de Large Area Telescope (LAT), detecteerde ook drie gammastralen met energieën van 480 MeV, 1,3 miljard elektronvolt (GeV) en 1,7 GeV - het licht met de hoogste energie dat ooit is gedetecteerd door een gigantische magnetische zonnevlam. Wat verrassend is, is dat al deze gammastralen verschenen lang nadat de flare in andere instrumenten was afgenomen.

Nicola Omodei, een senior onderzoeker aan de Stanford University, leidde het LAT-team dat deze gammastralen onderzocht, die tussen 19 seconden en 4,7 minuten na het hoofdevenement arriveerde. De wetenschappers concludeerden dat dit signaal hoogstwaarschijnlijk ook afkomstig was van de magnetar flare.

Een magnetar produceert een gestage uitstroom van snel bewegende deeltjes. Terwijl deze deeltjes door de ruimte bewegen, zij ploegen in, vertragen en omleiden van interstellair gas. Het gas stapelt zich op, wordt verwarmd en samengedrukt, en vormt een soort schokgolf die een boogschok wordt genoemd, als de rimpelingen voor een bewegende boot.

In het model voorgesteld door het LAT-team, de initiële puls van gammastralen van de flare reist naar buiten met de snelheid van het licht, gevolgd door de wolk van uitgestoten materie, die bijna net zo snel gaat. Na enkele dagen, ze bereiken allebei de boegschok. De gammastralen passeren. Seconden later, de wolk van deeltjes – nu uitgebreid tot een enorme, dunne schaal - botst met opgehoopt gas bij de boegschok. Deze interactie creëert schokgolven die deeltjes versnellen, produceren van de hoogste energie gammastralen na de hoofdburst.

De uitbarsting van 15 april bewijst dat de gebeurtenissen van 2020 en 2004 hun eigen klasse van GRB's vormen, zei Hurley.

"Een paar procent van de korte GRB's kunnen in werkelijkheid gigantische magnetische fakkels zijn, " zei Eric Burns, een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan de Louisiana State University in Baton Rouge, die een onderzoek leidde dat extra extragalactische magnetar-verdachten identificeerde. "In feite, het zijn misschien wel de meest voorkomende hoogenergetische uitbarstingen die we tot nu toe buiten onze melkweg hebben waargenomen - ongeveer vijf keer vaker dan supernova's."

Terwijl uitbarstingen in de buurt van het sterrenstelsel M81 in 2005 en het Andromedastelsel (M31) in 2007 al werden gesuggereerd als gigantische uitbarstingen, zijn team identificeerde een nieuw gerapporteerde flare in M ​​83, ook in 2007 gezien. Voeg daarbij de gigantische zonnevlam uit 1979 en de zonnevlammen die in 1998 en 2004 in onze Melkweg zijn waargenomen.

"Het is een kleine steekproef, maar we hebben nu een beter idee van hun ware energieën, en hoe ver we ze kunnen detecteren, " zei Brands, wiens studie later dit jaar zal verschijnen in De astrofysische journaalbrieven .