De krachtigste gebeurtenissen in het bekende universum – gammaflitsen (GRB’s) – zijn kortstondige uitbarstingen van licht met de hoogste energie. Ze kunnen uitbarsten met een quintiljoen (een 10 gevolgd door 18 nullen) maal de helderheid van onze zon. Er wordt gedacht dat ze de geboorte van nieuwe zwarte gaten zouden aankondigen, maar ze werden per ongeluk ontdekt.

Het achtergrondverhaal neemt ons mee naar 1963, toen de Amerikaanse luchtmacht de Vela-satellieten lanceerde om gammastraling van verboden kernwapenproeven te detecteren. De Verenigde Staten hadden zojuist een verdrag getekend met het Verenigd Koninkrijk en de Sovjet-Unie om tests in de atmosfeer van de aarde te verbieden, en de Vela-satellieten zorgden ervoor dat alle partijen zich daaraan hielden. In plaats daarvan stuitten de satellieten op 16 gammastralingsgebeurtenissen.

In 1973 konden wetenschappers uitsluiten dat zowel de aarde als de zon de bronnen van deze briljante uitbarstingen waren. Dat is het moment waarop astronomen van het Los Alamos National Laboratory het eerste artikel publiceerden waarin werd aangekondigd dat deze uitbarstingen hun oorsprong buiten ons zonnestelsel vonden.

Wetenschappers van het Goddard Space Flight Center van NASA bevestigden de resultaten snel via een röntgendetector op de IMP 6-satelliet. Het zou nog twintig jaar duren en bijdragen van BeppoSax van de Italiaanse ruimtevaartorganisatie en het Compton Gamma-Ray Observatorium van NASA om aan te tonen dat deze uitbarstingen tot ver buiten ons Melkwegstelsel plaatsvinden, gelijkmatig over de hemel zijn verdeeld en buitengewoon krachtig zijn. De dichtstbijzijnde GRB die ooit is geregistreerd, vond plaats op meer dan 100 miljoen lichtjaar afstand.

Hoewel ze bij toeval zijn ontdekt, zijn GRB's van onschatbare waarde gebleken voor hedendaagse onderzoekers. Deze lichtflitsen bieden veel inzicht in verschijnselen zoals het einde van de levensduur van zeer massieve sterren of de vorming van zwarte gaten in verre sterrenstelsels.

Toch zijn er nog genoeg wetenschappelijke pareltjes te ontdekken. In 2017 werden GRB's voor het eerst gekoppeld aan zwaartekrachtgolven (rimpelingen in het weefsel van de ruimte-tijd), waardoor we een beter begrip kregen van de manier waarop deze gebeurtenissen werken.

De lange en korte GRB's

Astronomen verdelen GRB's in twee hoofdklassen:korte (waarbij de eerste uitbarsting van gammastraling minder dan twee seconden duurt) en lange gebeurtenissen (die twee seconden of langer duren).

Kortere uitbarstingen produceren in het algemeen ook minder gammastraling, wat onderzoekers ertoe brengt te veronderstellen dat de twee klassen afkomstig zijn van verschillende voorlopersystemen.

Astronomen associëren korte uitbarstingen nu met de botsing van twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat, wat resulteert in een zwart gat en een kortstondige explosie. Korte GRB's worden soms gevolgd door kilonovae, licht geproduceerd door het radioactieve verval van chemische elementen. Dat verval genereert nog zwaardere elementen, zoals goud, zilver en platina.

Lange uitbarstingen houden verband met de explosieve dood van massieve sterren. Wanneer een ster met een grote massa geen nucleaire brandstof meer heeft, stort zijn kern in en veert vervolgens terug, waardoor een schokgolf door de ster naar buiten wordt gedreven. Astronomen beschouwen deze explosie als een supernova. De kern kan een neutronenster of een zwart gat vormen.

In beide klassen straalt het pasgeboren zwarte gat jets in tegengestelde richtingen. De jets, gemaakt van deeltjes die versneld zijn tot bijna de snelheid van het licht, dringen door het omringende materiaal heen en komen uiteindelijk in wisselwerking met het omringende materiaal, waarbij ze gammastraling uitzenden als ze dat doen.

Deze grote lijnen zijn echter niet het laatste woord. Hoe meer GRB-astronomen bestuderen, hoe groter de kans dat ze gebeurtenissen tegenkomen die de huidige classificaties in twijfel trekken.

In augustus 2020 heeft NASA's Fermi Gammaray-ruimtetelescoop een tweede lange uitbarsting opgespoord, genaamd GRB 200826A, op meer dan 6 miljard lichtjaar afstand. Het had binnen de short-burst-klasse moeten vallen, veroorzaakt door fusies van compacte objecten.

Andere kenmerken van deze gebeurtenis, zoals de supernova die erdoor ontstond, suggereerden echter dat deze het gevolg was van de ineenstorting van een massieve ster. Astronomen denken dat deze uitbarsting mogelijk is uitgedoofd voordat deze de duur kon bereiken die kenmerkend is voor lange uitbarstingen.

Fermi en NASA's Neil Gehrels Swift Observatory hebben in december 2021 het tegengestelde nummer, GRB 211211A, vastgelegd. De uitbarsting, gelegen op een miljard lichtjaar afstand, duurde ongeveer een minuut. Hoewel dit een lange GRB maakt, werd deze gevolgd door een kilonova, wat erop wijst dat deze werd veroorzaakt door een fusie. Sommige onderzoekers schrijven de eigenaardigheden van deze uitbarsting toe aan een neutronenster die samensmelt met een partner van een zwart gat.

Naarmate astronomen meer uitbarstingen ontdekken die meerdere uren duren, kan er nog steeds een nieuwe klasse in de maak zijn:ultralange GRB's. De energie die ontstaat door de dood van een ster met een hoge massa kan een uitbarsting waarschijnlijk niet zo lang volhouden, dus wetenschappers moeten naar een andere oorsprong kijken.

Sommigen denken dat ultralange uitbarstingen optreden bij pasgeboren magnetars:neutronensterren met snelle rotatiesnelheden en magnetische velden die duizend keer sterker zijn dan gemiddeld. Anderen zeggen dat deze nieuwe klasse de kracht nodig heeft van de grootste stellaire bewoners van het universum, de blauwe superreuzen. Onderzoekers blijven ultralange GRB's onderzoeken.

Nagloed werpt nieuw licht

Hoewel gammastraling de meest energetische vorm van licht is, zijn ze zeker niet het gemakkelijkst te herkennen. Onze ogen zien slechts een smalle band van het elektromagnetische spectrum. Het bestuderen van licht buiten dat bereik, zoals gammastraling, hangt nauw samen met de instrumenten die onze wetenschappers en ingenieurs ontwikkelen. Deze behoefte aan technologie, naast het toch al vluchtige karakter van GRB's, maakte uitbarstingen in de beginjaren moeilijker te bestuderen.

GRB-nagloei treedt op wanneer materiaal in de jets in wisselwerking staat met omringend gas.

Afterglows zenden radio-, infrarood-, optisch, UV-, röntgen- en gammastralingslicht uit, wat meer gegevens over de oorspronkelijke uitbarsting oplevert. Afterglows blijven ook uren tot dagen (of zelfs jaren) langer hangen dan hun aanvankelijke explosie, waardoor er meer mogelijkheden voor ontdekking ontstaan.

Het bestuderen van nagloeien werd de sleutel tot het afleiden van de drijvende krachten achter verschillende uitbarstingen. In lange uitbarstingen, terwijl de nagloed afneemt, zien wetenschappers uiteindelijk dat de bron weer helderder wordt naarmate de onderliggende supernova detecteerbaar wordt.

Hoewel licht de snelste reiziger van het universum is, kan het ons niet onmiddellijk bereiken. Tegen de tijd dat we een uitbarsting waarnemen, kunnen er miljoenen tot miljarden jaren verstreken zijn, waardoor we een deel van het vroege heelal via verre nagloeiingen kunnen onderzoeken.

Barstend van ontdekking

Ondanks het uitgebreide onderzoek dat tot nu toe is uitgevoerd, is ons begrip van GRB's verre van volledig. Elke nieuwe ontdekking voegt nieuwe facetten toe aan de gammaflitsmodellen van wetenschappers.

Fermi en Swift ontdekten een van deze revolutionaire gebeurtenissen in 2022 met GRB 221009A, een uitbarsting die zo helder was dat hij de meeste gammastralingsinstrumenten in de ruimte tijdelijk verblindde. Er wordt voorspeld dat een GRB van deze omvang eens in de 10.000 jaar zal voorkomen, waardoor dit waarschijnlijk de gebeurtenis met de hoogste lichtsterkte is waarvan de menselijke beschaving getuige is geweest. Astronomen noemden het daarom de helderste aller tijden – oftewel de BOOT.

Dit is een van de meest nabije lange bursts die ooit zijn waargenomen ten tijde van zijn ontdekking, waardoor wetenschappers de innerlijke werking van niet alleen GRB's, maar ook de structuur van de Melkweg van dichterbij kunnen bekijken. Door in de BOOT te kijken, hebben ze ontdekt dat radiogolven ontbreken in andere modellen en hebben ze röntgenreflecties getraceerd om de verborgen stofwolken van onze Melkweg in kaart te brengen.

GRB's verbinden ons ook met een van de meest gewilde boodschappers van het universum. Zwaartekrachtgolven zijn onzichtbare vervormingen van de ruimte-tijd, ontstaan ​​door cataclysmische gebeurtenissen zoals botsingen tussen neutronensterren. Beschouw ruimte-tijd als de allesomvattende deken van het universum, met zwaartekrachtsgolven als rimpelingen die door het materiaal wapperen.

In 2017 ontdekte Fermi de gammaflits van een samensmelting van neutronensterren, slechts 1,7 seconde nadat zwaartekrachtsgolven van dezelfde bron waren gedetecteerd. Na een reis van 130 miljoen lichtjaar bereikten de zwaartekrachtsgolven de aarde net vóór de gammastraling, wat bewijst dat zwaartekrachtsgolven zich met de snelheid van het licht voortbewegen.

Wetenschappers hadden nog nooit de gezamenlijke reis van licht en zwaartekrachtgolven naar de aarde ontdekt. Deze boodschappers samen schetsen een levendiger beeld van samensmeltende neutronensterren.

Met voortgezet onderzoek zou onze steeds evoluerende kennis van GRB's de onzichtbare structuur van ons universum kunnen ontrafelen. Maar de daadwerkelijke uitbarsting is slechts het topje van de ijsberg. Net onder de oppervlakte doemt een eindeloze hoeveelheid informatie op, klaar voor de oogst.

Geleverd door NASA