2022-04 Ken je klassiekers: Gamma-Ray Bursts
Onderwerp
Kenmerk: hoog energetische gammastraal
Locatie: verspreid over het hele universum, komt ook voor in onze Melkweg
Duur: slechts enkele seconden of minuten
Vorm: smalle stralen die beide in tegengestelde richting worden uitgestraald
Oorsprong: komen voor bij het ontstaan van een zwart gat
Waarneming: via satellieten met sensoren voor gamma- en X-stralen
Sommige dingen kom je beter niet tegen in je leven, één daarvan is een “gammaflits”, of Gamma Ray Burst, een lichtstraal van hoogenergetische gammagolven die alles op haar pad verschroeit…
Beeld
Copyright: NASA, ESA & M. Kornmesser
Verklaring
Van gammastraling blijf je best uit de buurt …
Als gevolg van de kernfusie in het binnenste van onze Zon wordt voortdurend elektromagnetische straling uitgestuurd die wij hier op Aarde opvangen in de vorm van licht en warmte. Mensen nemen het grootste deel van deze straling waar als wit licht dat bestaat uit de kleuren van de regenboog, maar het stralingsspectrum van de Zon bevat nog meer elektromagnetische deeltjes die wij niet kunnen zien, zoals ultraviolet en infrarood licht, radiogolven, X‑ en gammastraling.
Gammadeeltjes hebben de kortste golflengte met de hoogste frequentie, zijn hoogenergetisch en vormen daarom een gevaar voor levende wezens omdat ze het DNA, of erfelijk materiaal, kunnen vernietigen. Gelukkig houden het magnetisch veld rond de Aarde en onze atmosfeer het meeste van die deeltjes tegen.
Gammastralen, of jets, afkomstig van Gamma-Ray Bursts zijn echter zo krachtig dat ons aardmagnetisch veld deze niet zou kunnen tegenhouden. Mocht de Aarde rechtstreeks geraakt worden door een gammaflits, dan zou het deel dat erdoor geraakt wordt op luttele seconden volledig verschroeid worden.
Zoiets was nog nooit gezien …
Tijdens de 20e eeuw werd wereldwijd geëxperimenteerd met kernbommen waarbij schadelijke gammadeeltjes vrijkwamen, zonder dat werd stilgestaan bij de destructieve gevolgen voor de natuur en de mensheid. De nucleaire wapenwedloop tussen grootmachten was onverantwoord en uiteindelijk werd ingezien dat nucleaire oorlogvoering en kernproeven aan banden moesten worden gelegd. In 1963 ondertekenden de US, de Sovjetunie en het Verenigd Koninkrijk het “Limited Test Ban Treaty”, een verdrag dat nucleaire testen te land, te water en in de ruimte verbood. Kort daarna lanceerde Amerika het militaire Vela-programma, waarbij satellieten met detectoren voor gamma‑ en X‑ straling de ruimte werden ingestuurd om te controleren of de vijand toch niet stiekem kernproeven uitvoerde.
De Vela-satellieten stelden inderdaad gammastralen boven sommige testgebieden vast, maar in 1967 werd voor het eerst gammastraling waargenomen die niet afkomstig kon zijn van een kernproef of van de Zon. De nadien meer performantere satellieten namen eveneens zulke kosmische stralen waar, maar de waarnemingen werden nooit onderzocht, tot er in 1973 een publicatie verscheen in een astrofysisch tijdschrift, wat de aandacht van astronomen trok. Dit was een nieuw fenomeen dat moest worden bestudeerd en uit het militaire Vela-programma groeide een ruimteprogramma met satellieten die specifiek op zoek gingen naar de oorsprong en kenmerken van deze Gamma Ray Bursts. Al deze satellieten gaven steeds meer inzicht in de geheimen van dit ongekende fenomeen dat na de oerknal het krachtigste kosmische event bleek te zijn.
Een kort overzicht
In 1991 lanceert NASA de satelliet Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) met aan boord het BATSE-instrument (Burst and Transient Source Experiment) voor de waarneming van alle gammaflitsen. De data van het BATSE-instrument toonden dat de GRBs overal in het universum plaatsvonden, ver buiten ons Melkwegstelsel. Om de jets waar te nemen moeten ze wel naar de Aarde gericht zijn. Dagelijks wordt minstens één waarneming van een GRB gedaan, maar in werkelijkheid moeten het er veel meer zijn. Het BATSE-instrument tekende tijdens zijn 9‑jarige werking 2.704 GRBs op.
De later ontworpen satellieten stellen vast dat na een gammaflits, die maar enkele seconden duurt, dagen‑ of wekenlang een nagloed in X-stralen te zien is. In 1993 lanceert Japan de Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics (ASCA) en twee jaar later lanceert NASA de Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE) met als doel deze nagloed in X-straling te bestuderen. Ook de satelliet BeppoSax, ontwikkeld door een samenwerking van Italiaanse en Nederlandse ruimtevaartorganisaties in 1996, werd ingezet voor onderzoek van X-stralen in de sterrenkunde.
Alle energie van de uitbarsting zit in beide jetstralen die in tegenovergestelde richting vertrekken vanuit een denkbeeldig centrum en die men uiteindelijk langzaam breder ziet worden. Dat geeft de onderzoekers de mogelijkheid om de sterkte en de samenstelling ervan te bestuderen. Men stelt vast dat de energie van de gammaflits duizendmaal sterker is dan die van een quasar en ontelbaar keren sterker dan die van de Zon. Sommige waarnemingen onthullen ijzer en andere elementen in de lichtstraal, waardoor een link met een supernova wordt gemaakt. Een supernova is een explosie waarbij een reuzenster implodeert tot een zwart gat.
Om de nagloed van de waargenomen jetstralen te kunnen bestuderen, moet de positie van de oorspronkelijke GRB zo snel mogelijk worden vastgesteld. Dit gebeurde met nog later gelanceerde satellieten, zoals de in 1999 door NASA ontwikkelde Chandra X-Ray Observatory, een jaar later gevolgd door de High Energy Transient Explorer (HETE) die werd ontwikkeld voor de snelle detectie van een GRB.
Ook de ESA droeg haar steentje bij en lanceerde in 2002 de International Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), eveneens om gammaflitsen te detecteren.
Copyright: ESA INTEGRAL instruments
Een samenwerking tussen NASA, het Verenigd Koninkrijk en Italië leidt in 2003 tot het lanceren van de Neil Gehrels Swift Observatory, met als doel het meten van gammaflitsen en hun nagloed.
In 2006 ontwikkelt de NASA samen met het US Department of Energy de Gamma Ray Large Area Space Telescope (GLAST), die performanter is dan de Swift Observatory.
In 2008 volgt dan nog de opvolger van GLAST, namelijk de door NASA, US Department of Energy, Frankrijk, Duitsland, Italië, Japan en Zweden ontwikkelde Fermi Gamma-Ray Space Telescope. Doel: waarnemingen vanuit een lagere locatie en een overzicht geven van alle sterk energetische gebeurtenissen in het universum (GRBs, pulsars, zwarte gaten).
Gammaflitsen komen in heel het universum voor. Waar ze verschijnen is onvoorspelbaar en wegens hun korte duur is het belangrijk om snel de locatie vast te stellen. De eerder vernoemde satellieten HETE en Swift werden ontworpen om zich heel snel te richten naar een GRB, de locatie te bepalen en deze door te geven naar een ontvangststation dat de informatie via diverse kanalen doorspeelt naar astronomen-waarnemers over heel de wereld. Zij kunnen hun telescopen dan naar die locatie richten om de nagloed van de gammaflits die langer zichtbaar blijft te bestuderen. Dit Gamma-Ray Burst Coordinates Network of GCN bestaat al sinds de waarnemingen gedaan door het BATSE-experiment.
Copyright afbeelding: Gamma-Ray Burst Coordination Network op Wikipedia, Public Domain
Voor alles is er een verklaring
Bij de eerste waarnemingen van GRBs stonden wetenschappers voor een raadsel over de oorsprong ervan. Allerlei theorieën werden uitgedacht, maar na jarenlange waarnemingen en analyse van de data kwam meer duidelijkheid. GRBs ontstaan bij de vorming van een zwart gat, omdat het materiaal van de ineengestorte ster erdoor wordt opgeslorpt waarbij de vrijgekomen energie ontsnapt met een intense lichtflits.
Er zijn drie soorten gammaflitsen:
- Korte duur: variëren van enkele milliseconden tot twee seconden en doen zich voor bij de samensmelting van binaire neutronensterren, d.w.z. die rond elkaar draaien omdat ze elkaar aantrekken. Bij hun samensmelting ontstaat een zwart gat. Ook de botsing van een neutronenster met een reeds bestaand zwart gat geeft aanleiding tot een korteduurflits, daarbij ontstaat een groter zwart gat;
- Lange duur: vanaf twee seconden tot een paar minuten heeft men te maken met een langeduurflits, men gaat ervan uit dat de oorzaak een supernova is, dit is een explosie waarbij een reuzenster implodeert tot een zwart gat;
- Ultralange duur: deze stralen van een paar minuten tot een paar uur en worden gelinkt aan extreem krachtige events zoals hypernova’s, dit zijn explosies van de allergrootste reuzensterren of magnetars, of zoals wanneer een ster wordt uiteengetrokken door een supergroot zwart gat.
Supernova’s zijn onvoorspelbaar maar komen constant overal in het universum voor. Ook in onze Melkweg zijn duizenden neutronensterren aanwezig, maar deze bevinden zich meer in het centrum. Daarom is het goed dat ons zonnestelsel zich aan de buitenrand van de Melkweg bevindt.
De observatie van deze krachtige gebeurtenissen in het universum is nog recent, maar in de komende jaren zullen nieuwe waarnemingen met krachtiger apparatuur meer inzicht in deze fenomenen geven en theorieën kunnen bevestigen of verwerpen.
Conclusie
Gamma-Ray Bursts komen overal in het universum voor, ook in onze Melkweg, maar voorlopig hoeven we ons echter geen zorgen te maken want zo’n gebeurtenis is zeldzaam en pas gevaarlijk voor de Aarde als de lichtflits zich voordoet op minder dan 30.000 lichtjaar afstand en direct naar ons is gericht. Misschien vormen gammastralen die wij zelf op Aarde produceren meer gevaar!
De bestudering van deze krachtige uitbarstingen die zich reeds lang geleden voordeden, maar ons nu pas bereiken omdat het licht tijd nodig heeft om tot bij ons te geraken, werpt een blik op de vroegste periode van ons universum en laat ons toe terug te gaan in de tijd, zonder risico om te verdwijnen in het grote zwarte gat!
Bronnen:
Imagine the Universe! (nasa.gov)
Gamma-ray Bursts (hubblesite.org)
NASA’s Fermi Mission Reveals its Highest-energy Gamma-ray Bursts | NASA
Tekst: Martine De Wit, september 2022