NASA volgt helderste kosmische gebeurtenis ooit opgenomen – “Dit ding is gek!”

Astronomen waren getuige van de boot, de helderste kosmische gebeurtenis ooit geregistreerd, die de kracht van het tijdsdomein en de multi-messenger-astronomie demonstreerde. Dit evenement en soortgelijke evenementen geven inzicht in de dynamische processen van het universum en de rol van samenwerking bij wetenschappelijke ontdekkingen.

De telefoon van Stephen LeSage begon te trillen na de rust op 9 oktober 2022, terwijl hij met een vriend naar een voetbalwedstrijd in Atlanta keek. Toen Lesage de binnenkomende berichten zag, leek de wedstrijd niet meer belangrijk. Er had zich een zeldzame kosmische gebeurtenis voorgedaan en hij moest onmiddellijk toegang krijgen tot zijn computer.

NASA's Fermi Gamma Ray-satelliet en het Neil Gehrels-Swift Observatorium hebben een ongewoon helder signaal in de ruimte gedetecteerd en automatische waarschuwingen naar wetenschappers gestuurd. Het Fermi-chatkanaal van Lesage's team lichtte op met berichten terwijl de wetenschappers hun vervolgstrategie coördineerden.

“Iedereen in die groep zei: ‘Dit ding is gek! “Wie is verantwoordelijk voor het analyseren hiervan? Dit is waar we op hebben gewacht”, herinnert Lesage zich, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Alabama, Huntsville. “Ga op tijd!”

Deze ongewone gebeurtenis bleek een kosmische explosie te zijn die misschien wel de helderste was in röntgen- en gammastraling sinds het begin van de beschaving. Astronomen noemden het 'de boot', 'de helderste van allemaal'. Lesage leidde een analyse van Fermi-gegevens die aantoonden hoe helder de boot werkelijk was. Meer dan 150 telescopen in de ruimte en op aarde volgden om meer details over de gebeurtenis te verkrijgen NASAIXPE (X-ray Polarimetry Explorer), de Hubble-ruimtetelescoop, de James Webb-ruimtetelescoop en de XMM-Newton-telescoop van het European Space Agency.

Het universum is aan het veranderen

De boot is een voorbeeld van wat astronomen tijddomein- en multi-berichtastronomie noemen. Het gedeelte 'tijddomein' verwijst naar gebeurtenissen die plaatsvinden in het universum en die telescopen kunnen waarnemen terwijl ze plaatsvinden, zoals een supernova of de samensmelting van twee neutronensterren. ‘Multi-messenger-astronomie’ verwijst naar een verscheidenheid aan ‘boodschappers’ die informatie uit het universum verzenden, inclusief alle vormen van licht, hoogenergetische deeltjes en rimpelingen in de ruimte-tijd, genaamd Zwaartekrachtgolven.

Hoewel het lijkt alsof het universum heel langzaam verandert, over miljoenen of zelfs miljarden jaren, veroorzaken de hemelbewoners soms dramatische veranderingen in een kwestie van dagen of zelfs fracties van seconden. De centra van sterrenstelsels schijnen wanneer hun centrale zwarte gaten materie opeten. Zwarte gaten overhevelen plasma Van nabijgelegen sterren. De sterren exploderen. Neutronensterren botsen met zwarte gaten, neutronensterren botsen met neutronensterren en zwarte gaten versmelten met zwarte gaten. Zelfs verre botsingen van hemellichamen kunnen krachtige rimpelingen uitzenden die kunnen worden gedetecteerd door telescopen en instrumenten in de ruimte en op de grond. Veel van deze verschijnselen zijn onvoorspelbaar in termen van waar en wanneer ze zich vervolgens zullen voordoen.

NASA heeft twee 'waarnemers'-satellieten met een breed gezichtsveld die waarschuwingen uitzenden wanneer ze plotselinge verheldering van gammastraling detecteren: Fermi en Swift. Fermi's Gamma-ray Burst Observer, de Large Area Telescope en de Swift Burst Alert Telescope zijn belangrijke instrumenten die mogelijk de eersten zijn die deze gebeurtenissen detecteren.

“Als er iets impulsiefs gebeurt, als er iets ontploft en ontploft, of als iets verpletterd wordt en instort, dan gebeurt dat”, zegt Valerie Connaughton, hoofd van de High-Energy Astrophysics-portfolio en het Time-Domain and Multimessaging Astronomy Initiative binnen de Astrophysics Division van NASA. Hoofdkwartier in Washington.

Zodra wetenschappers een waarschuwing op hun computers en telefoons ontvangen, kunnen ze mogelijk samenwerken met andere telescopen om de gebeurtenis te volgen. Door een verscheidenheid aan verschillende observatoria en ruimte-instrumenten te gebruiken om deze zeer onvoorspelbare flitsen te bestuderen, kunnen wetenschappers achterhalen wat, waar, wanneer en waarom ze een “bliep” hebben waargenomen in de gebruikelijke stilte van de ruimte.

Na het vergelijken van waarnemingen van de boot met verschillende telescopen, stelden wetenschappers vast dat deze ongewoon heldere explosie het gevolg was van een supernova, en meer bepaald van de ineenstorting van de kern van een snel roterende massieve ster. En later met gegevens van NASA Nustar Tijdens de missie ontdekten wetenschappers dat de stroom materiaal die vrijkwam uit de exploderende ster een complexere vorm had dan ze aanvankelijk dachten.

““Er is zojuist een gigantische ster geëxplodeerd, en we moeten hem bestuderen en uitzoeken wat er is gebeurd, de onderdelen reverse-engineeren en ze weer in elkaar zetten”, zei Lesage.

“Tijddomeinastronomie stelt ons in staat fundamentele antwoorden te verkrijgen over de eigenschappen van het universum, de fundamentele natuurkunde zelf en de oorsprong van de elementen.”

— Eric Burns, astrofysicus, Louisiana State University

Nieuwe heldere signalen

Slechts vijf maanden na de boot ontvingen wetenschappers een waarschuwing van Fermi over de op één na helderste gammaflits die in de afgelopen 50 jaar is gezien. Dit nieuwere signaal is GRB 230307A, die plaatsvond in maart 2023, voegde zich bij de boot in de categorie van “lange” gammaflitsen, die 200 seconden duurden, vergeleken met 600 voor de boot. Dankzij infraroodgegevens van NASA James Webb-ruimtetelescoopWetenschappers hebben vastgesteld dat GRB 230307A waarschijnlijk een heel andere oorsprong heeft: de samensmelting van twee neutronensterren op ongeveer een miljard lichtjaar afstand van de aarde. Bovendien ontdekte Webb het zeldzame element telluur, wat hierop wijst Neutronenster Fusies creëren dit soort zware zaken.

Dit resultaat brengt astronomen als Eric Burns, co-auteur van artikel GRB 230307A en lid van het Fermi-team van de Louisiana State University, nog steeds in verwarring. Het samensmelten van neutronensterren zou niet zulke lange gammaflitsen moeten veroorzaken, en de huidige modellen van de atoomfysica verklaren de door Webb ontdekte midden-infrarode golflengten niet volledig. Hij hoopt dat Webb ons de komende jaren zal helpen meer over dit soort evenementen te leren.

“Tijddomeinastronomie stelt ons in staat fundamentele antwoorden te verkrijgen over de eigenschappen van het universum, de fundamentele natuurkunde zelf en de oorsprong van elementen”, aldus Burns.

Deze afbeelding, vastgelegd door het NIRCam-instrument (nabij-infraroodcamera) van NASA's James Webb Space Telescope, benadrukt gammastraaluitbarsting (GRB) 230307A en de bijbehorende kilonova, evenals zijn voormalige moederstelsel, te midden van zijn lokale habitat van andere sterrenstelsels en voorgrondsterren. De GRB's werden waarschijnlijk aangedreven door de samensmelting van twee neutronensterren. De neutronensterren werden uit hun moederstelsel gestoten en legden een afstand af van ongeveer 120.000 lichtjaar, ongeveer de diameter van de Melkweg, voordat ze enkele honderden miljoenen jaren later uiteindelijk samensmolten. Afbeelding tegoed: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

Veel boodschappers

Kosmische ‘boodschappers’ die verband houden met voorbijgaande kosmische flitsen helpen wetenschappers ook hun oorsprong te reconstrueren. Eerste detectie van zwaartekrachtgolven in 2015 door LegoDe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory toonde aan dat het universum op een geheel nieuwe manier kon worden waargenomen, en opende een nieuw tijdperk waarin meerdere boodschappers konden worden gebruikt om plotselinge fluctuaties in het universum te bestuderen.

In 2017 hebben wetenschappers deze mogelijkheid gedemonstreerd door waarnemingen van zwaartekrachtsgolven te combineren met gegevens van verschillende observatoria op de grond en in de ruimte om een ​​kilonova, of fusie van neutronensterren, genaamd GW170817, te bestuderen. Onder de inzichten uit een uitgebreide studie van deze kilonova's gebruikten Burns en zijn collega's ze om de eerste nauwkeurige meting van de zwaartekrachtsnelheid te maken, “de laatste grote bevestiging van Einsteins voorspelling”, zei hij.

Tegenwoordig zoekt het LIGO-netwerk, ondersteund door de Amerikaanse National Science Foundation, de Europese VIRGO en het Japanse KAGRA, naar zwaartekrachtsgolfgebeurtenissen.

In deze illustratie draaien gedoemde neutronensterren hun ondergang tegemoet. Zwaartekrachtgolven zuigen orbitale energie weg, waardoor sterren dichter bij elkaar komen en samensmelten. Terwijl ze botsen, wordt een deel van het puin weggeblazen in deeltjesstralen die met bijna de snelheid van het licht bewegen, waardoor een korte gammastraaluitbarsting ontstaat. Bron afbeelding: NASA Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Laboratory

Licht is het enige type 'boodschapper' uit het universum dat is gedetecteerd voor zowel de boot als de gammaflits die tellurium lijkt te hebben geproduceerd. Een experiment in de buurt van Antarctica genaamd IceCube, ondersteund door NSF, zocht naar hoogenergetische neutrino's die uit hetzelfde deel van de hemel kwamen als elke gebeurtenis, maar vond er geen. Het gebrek aan waargenomen neutrino's helpt wetenschappers echter de mogelijkheden van hoe deze gebeurtenissen plaatsvinden te beperken.

“Deze aanpak met meerdere berichten is belangrijk, zelfs als je geen detectie hebt”, zegt Michela Nigro, astrofysicus en assistent-professor aan de Louisiana State University. “Het helpt echt om bepaalde scenario’s uit te sluiten, en het vertelt ons ook iets nieuws als we ontdekkingen doen.”

Veelbelovende toekomst

Voor Lesage, die zijn proefschrift over de boot schrijft, zijn tijddomeinastronomie en meerdere correspondenties een spannend studiegebied. In dezelfde boot zitten hij en andere astronomen nog steeds terwijl ze kijken naar alle processen die worden onthuld door het uitzonderlijk heldere licht van deze intense gebeurtenis. Maar er zullen zeker meer voorbijgaande gebeurtenissen komen, en die zullen wetenschappers scherp houden terwijl ze ze achtervolgen met een breed scala aan telescopen en instrumenten.

'Het zijn maar voorbijgaande gebeurtenissen, kijk nu, anders mis je het,' zei Lesage. 'Zie zo snel als je kunt.'

Verder lezen: Telescopen in de koffer

In de komende jaren zal NASA nieuwe ‘waarnemende’ satellieten lanceren om te helpen bij het zoeken naar plotselinge voorbijgaande gebeurtenissen zoals deze. Het omvat meerdere KubusSatseen klasse miniatuurruimtevaartuigen gebouwd in gestandaardiseerde kubusmodules van 10 cm aan elke kant:

• BurstCubeHet zal in maart 2024 gelanceerd worden om gammastralingssignalen te monitoren
• BlackCat, gelanceerd in 2025, om röntgenlicht te detecteren
• SterrenuitbarstingHet zal in 2027 gelanceerd worden om gammastralingssignalen te monitoren

Internationale partnerschappen omvatten ook dit soort wetenschap:

• Terrassen (The Transient Ultraviolet Astronomy Satellite), een kleine satelliet van de Israel Space Agency en het Weizmann Institute of Science, met een breed gezichtsveld gespecialiseerd in ultraviolet licht, heeft bijdragen van NASA. De verwachting is dat het in 2026 gelanceerd zal worden.

Bovendien kunnen NASA-telescopen met andere primaire doelstellingen helpen bij het zoeken naar deze ongewone gebeurtenissen:

• geestop weg naar de metaalrijke asteroïde Psyche, beschikt over een gammastralingsspectrometer die astronomen kunnen gebruiken om gammaflitsen te detecteren terwijl het ruimtevaartuig de komende jaren naar zijn bestemming reist.
• verstandig, dat de hemel op infrarode golflengten in kaart bracht, vond veel nieuwe verre objecten en kosmische verschijnselen. de Nieuwe manieren De missie, die gebruik maakt van de WISE-telescoop, scant de ruimte nabij de aarde op potentieel gevaarlijke asteroïden.
• NASA's Nancy Grace Romeinse ruimtetelescoop, een infraroodobservatorium dat licht zal werpen op de mysteries van oude donkere energie en duizenden exoplaneten zal ontdekken, is ontworpen om een ​​wijds zicht op de hemel te hebben en zal ongetwijfeld vluchtige infraroodsignalen oppikken. Het observatorium zal verschillende onderzoeken uitvoeren om naar deze verschijnselen te zoeken, en de missie zal verschillende teams ondersteunen bij het bestuderen van aanverwante onderwerpen, variërend van veranderlijke sterren tot de geboorte van zwarte gaten en actieve sterrenstelsels. De lancering van Roman staat gepland voor mei 2027 en zal ook waarschuwingen geven over veranderingen in de hemel die hij detecteert.
• Near Earth Object Surveyor-missie (NEO Surveyor). Infrarooddetectoren zullen worden gebruikt om de zoektocht naar asteroïden en kometen die een bedreiging voor de aarde kunnen vormen, uit te breiden. De door NEO Surveyor te maken beelden zullen naar verwachting ook veel verre achtergrondobjecten vastleggen.