Eerste neutronensterbotsing in millimeterlicht – ALMA-telescopen tonen nagloed van een van de sterkste gammaflitsen tot nu toe

Gammastrahlenausbruch

Explosief einde: astronomen hebben voor het eerst een van de meest energetische millimetergolfexplosies in de kosmos waargenomen: de botsing van een neutronenster met een begeleidende ster. De resulterende korte gammaflits was een van de sterkste ooit gedetecteerd. Door de nagloeiing in het langegolf-millimeterbereik te analyseren, konden de onderzoekers de oorsprong van de burst en de breedte van zijn energetische jets bepalen – wat belangrijke informatie over dergelijke gebeurtenissen opleverde.

Gammastraaluitbarstingen zijn de helderste en meest energetische explosies in de kosmos: in een kwestie van seconden kunnen ze net zoveel straling vrijgeven als onze zon in zijn hele leven. Lange gammaflitsen van enkele minuten worden waarschijnlijk veroorzaakt door supernova’s, terwijl korte uitbarstingen het gevolg zijn van de botsing van een neutronenster met een tweede ster. Het zijn de “fabrieken” waar de zware elementen van ons universum worden gevormd.

De explosie veroorzaakt door een dergelijke botsing creëert geconcentreerde stralen van energetische deeltjes en straling. Als een van deze bewegende bundels stralen de aarde raakt, genereert deze een korte gammastraalpuls, die gewoonlijk slechts enkele tienden van een seconde duurt.

Nagloed op millimetergolf van gammastraaluitbarsting GRB 211106A zoals gezien door het ALMA-observatorium.© ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Laskar (Utah), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

Nagloeien van gammastraaluitbarstingen nastreven

Nu hebben astronomen voor het eerst de millimetergolf-nagloed van zo’n korte gammaflits vastgelegd. “De straling van de nagloed is essentieel om erachter te komen uit welk sterrenstelsel de gammaflits kwam en hoe de explosie plaatsvond”, legt eerste auteur Tanmoy Laskar van de Radboud Universiteit in Nederland uit. Van bijzonder belang zijn de langgolvige stralingscomponenten, die worden veroorzaakt door de interactie van de jets met het omringende gas.

Het probleem is echter dat astronomen tot nu toe slechts een half dozijn korte gammaflitsen in het radiogolfbereik hebben kunnen waarnemen, maar de beschikbare telescopen waren te zwak voor millimetergolven en de uitbarstingen waren te ver weg. Pas nu, dankzij de hoge resolutie en gevoeligheid van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), is het voor het eerst mogelijk geweest om de millimeterstraling van een dergelijke neutronensterbotsing vast te leggen.

Een bliksemschicht uit een melkwegstelsel ver, ver weg

De gammaflits GRB 211106A werd voor het eerst gedetecteerd op 6 november 2021 door ESA’s Integral Gamma-ray Observatory, waarna astronomen tal van andere telescopen op de bron richtten, waaronder NASA’s Swift X-ray Telescope, de Hubble Space Telescope en de antennes van ALMA. De Hubble-beelden vernauwden het veld van kandidaat-sterrenstelsels, maar alleen millimetergolf ALMA-gegevens onthulden de ware locatie en aard van de explosie.

Volgens dit vond deze neutronensterbotsing plaats op een afstand die overeenkomt met een roodverschuiving van z= 0,7 tot 1,4. Dat betekent dat de gammaflits plaatsvond toen het universum nog maar 40 procent van zijn huidige leeftijd had. “Als gevolg hiervan was deze neutronensterbotsing te ver weg om de zwaartekrachtsgolven die hij produceerde te detecteren – het was buiten het bereik van onze huidige zwaartekrachtgolfdetectoren”, zegt co-auteur Wen-fai Fong van de Northwestern University.

Recordbrekende energieafgifte

Des te belangrijker was de informatie uit de millimetergolven. “Millimeterstraling kan ons iets vertellen over de dichtheid van de omgeving rond een gammaflits. Gecombineerd met de gegevens in het gamma- en röntgenbereik, kunnen we dit gebruiken om de ware energie van de explosie te bepalen”, legt Fongs collega Genevieve Schroeder uit. In het geval van GRB 211106A werd een deel van de vrijgekomen explosie-energie blijkbaar geabsorbeerd door omringende stofwolken.

Hiermee rekening houdend, moet de explosie een normale hoeveelheid energie hebben vrijgegeven: De astronomen bepaalden een waarde tussen 2 x 1050 en 6 x 1051 Erg een van de grootste ooit gemeten voor een korte gammastraaluitbarsting’, stellen Laskar en zijn collega’s. En ook het nagloeien van GRB 211106A vertoont meerdere superlatieven. De röntgenstralen die vrijkomen in de nasleep van de explosie zouden tot de sterkste behoren die ooit zijn gedetecteerd in een dergelijke gammastraaluitbarsting, en hetzelfde geldt voor radio-emissies.

Jet met de grootste openingshoek

De millimeterstraling is ook om een ​​andere reden belangrijk: “De millimeter- en radiogolven gaven ons de informatie die we nodig hadden om de openingshoek van de jet te meten”, legt co-auteur Alicia Rouco Escorial van de Northwestern University uit. “Dit is essentieel om de eigenschappen van korte gammaflitsen in de kosmos te bepalen en deze te vergelijken met bijvoorbeeld de snelheid van botsingen tussen neutronensterren en fusies van neutronensterren met zwarte gaten.”

Analyse van de ALMA-gegevens toonde aan dat de jet van GRB 211106A een openingshoek van ongeveer 15,5 graden had. “Dit is een van de grootste straalspreidingshoeken ooit waargenomen in een korte gammastraaluitbarsting”, rapporteren de astronomen. Uit hun gegevens concluderen ze dat ALMA in de toekomst ongeveer één vergelijkbare gebeurtenis per jaar zou kunnen detecteren. “Dit overtreft alle eerdere detectiesnelheden van korte gammaflitsen in het radiobereik”, zegt het team.

Nieuwe mogelijkheden van astronomisch onderzoek

Astronomen geloven dat het observeren van gammastraaluitbarstingen en hun nagloed in het volledige spectrum van straling nieuwe mogelijkheden opent voor het bestuderen van deze superexplosies, die in veel opzichten nog steeds mysterieus zijn. “Deze waarnemingen zijn gewoon fantastisch op veel niveaus. Ze geven ons meer informatie over de mysterieuze gammaflitsen en astrofysica van neutronensterren in het algemeen”, zegt Joe Pesce van de Amerikaanse National Science Foundation.

Ook de nieuwe James Webb-ruimtetelescoop is van groot belang. “Met de Webb-telescoop kunnen we nu het lichtspectrum van de thuissterrenstelsels van dergelijke uitbarstingen analyseren en zo de afstand gemakkelijker bepalen”, legt Laskar uit. “Bovendien kunnen we de JWST ook gebruiken om de infrarode nagloeiing te bestuderen om meer te weten te komen over de chemische samenstelling ervan.” (The Astrophysical Journal Letters, Preprint; arXiv:2205.03419)

Quelle: National Radio Astronomy Observatory (NRAO), Northwestern University

Related Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published.