Fundu týndan hlekk á milli gammablossa og gríðarstjarna

Tengsl blossa gríðarlega öflugrar geislunar við einhverjar orkumestu hamfarir í alheiminum þegar stjörnur margfalt stærri en sólin springa eru skýrð í nýrri alþjóðlegri rannsókn sem danskur doktorsnemi við Háskóla Íslands tók þátt í. Vísindamönnunum tókst að finna vísbendingar um hvað gengur á innan í orkumestu sprengistjörnunum.

Grein um nýju rannsóknina birtist í vísindaritinu Nature á morgun. Hún byggist á athugunum á svonefndri gríðarstjörnu, orkumestu tegund sprengistjörnu í alheiminum. Stjarneðlisfræðingar hafa vitað að tengsl eru á milli blossa gammageislunar og gríðarstjarna í tuttugu ár en rannsóknin nú skýrir hvers vegna gammablossar af þessu tagi fylgja aðeins sumum gríðarstjörnum sem menn hafa komið auga á.

„Í flestum tilfellum sjáum við gammablossa og síðan sprengistjörnu en það er ekki alltaf þannig. Við getum séð fjölda sprengistjarna þar sem engi merki sjást um gammablossa í upphafi,“ segir Kasper Elm Heintz, doktorsnemi í stjarneðlisfræði við Háskóla Íslands.

Uppgötvuðu vísindamennirnir hvernig efnisstrókar sem myndast þegar afar massamiklar stjörnur byrja að falla saman undan eigin þunga komast í sumum tilfellum ekki alla leiðina út úr ytra byrði stjarnanna. Þá verður enginn gammablossi áður en stjörnurnar springa.

Geta skinið skærar en heil vetrarbraut

Örlög sólstjarna í alheiminum þegar þær klára eldsneytið sem hefur gert þeim kleift að skína í milljónir og milljarða ára ráðast af massa þeirra. Tiltölulega litlar stjörnur eins og sólin okkar deyja nokkuð friðsamlega: þær þenjast smám saman út og skilja eftir sig þoku úr innviðum sínum.

Massamestu stjörnurnar enda hins vegar ævina í gríðarlega öflugum sprengingum og eru þá nefndar sprengistjörnur. Það gerist þegar þær hafa ekki lengur eldsneyti fyrir kjarnasamrunann sem hefur þrýst á móti þyngdarkraftinum. Þær falla þá saman inn í sjálfa sig. Eftir stendur annað hvort svonefnd nifteindastjarna, lítill hnöttur úr ofursamþjöppuðu efni, eða svarthol, allt eftir hversu massamikil upphaflega stjarnan var. Öll frumefni þyngri en járn í alheiminum verða til við sprengistjörnur.

Allra orkumestu sprengistjörnurnar, stjörnur sem eru að minnsta kosti 25 sinnum massameiri en sólin okkar, eru nefndar gríðarstjörnur (e. Hypernova) og það er að þeim sem Kasper og félagar hans beindu sjónum sínum í rannsókninni.

Svo öflugar geta þessar gríðarstjörnur verið að þegar þær springa skína þær allt að hundrað sinnum bjartar en vetrarbrautirnar sem þær tilheyra sem þó innihala hundruð milljarða stjarna.

Komast ekki í gegnum heitan hjúp sem myndast

Kasper og félagar rannsökuðu gríðarstjörnuna í um 500 milljón ljósára fjarlægð frá jörðinni. Fyrsta vísbendingin um hana var gammablossi sem birtist á næturhimninum í desember árið 2017 og fékk merkinguna GRB 171205A. Sjaldgæft er að gammablossar sjáist sem eiga upptök sín svo hlutfallslega nálægt jörðinni og hafa aðeins þrír sést nær jörðinni á síðustu tuttugu árum.

Vísindamennirnir þurftu því að hafa hraðar hendur að hefja athuganir á sprengingunni nú og hófust athuganirnar þegar innan við sólahringur var liðinn frá því að stjarnan féll saman. Aldrei áður hefur tekist að hefja athuganir á gríðarstjörnu í myndun svo snemma. Kasper tók meðal annars þátt í að gera athuganir með VLT-sjónauka Evrópsku stjörnustöðvarinnar á suðurhveli (ESO).

Þær leiddu í ljós að strókar stóðu út frá stjörnunni en einnig hjúpur heits efnis utan um kjarna hennar. Kenning Kaspers og félaga er að það sé þessi hjúpur sem kemur í veg fyrir að gammablossar myndist við allar sprengistjörnur. Hann myndast úr strókunum og efni út ytri lögum stjörnunnar. Kenningar höfðu verið uppi um strókana en uppgötvunin á hjúpnum var ný af nálinni.

Í tilfelli GRB 171205A braust strókurinn út í gegnum yfirborð stjörnunnar, hreif með sér hluta af hjúpnum og myndaði gammablossann sem sást frá jörðinni. Það er hins vegar ekki alltaf tilfellið.

„Okkur grunar að ástæðan fyrir því að margar sprengi- eða gríðarstjörnur hafi ekki svona gammablossa sé sú að strókarnir missa alla orku sína í þessum hjúp og eru ekki nógu öflugir til að brjótast út í gegnum stjörnuna. Það myndi skýra hversu vegna stjarna fellur saman og sprengistjarna myndast en við sjáum engan gammablossa,“ segir hann.

Efnasamsetning stjörnunnar gæti riðið baggamuninn

Ýmislegt gæti ráðið úrslitum um hvort að strókarnir ná að brjótast út í gegnum ytri lög stjörnu sem fellur saman, að mati Kaspers.

„Hversu mikla orku hefur strókurinn þegar hann myndast? Ef hann er ekki nógu orkuríkir eða endist ekki nógu lengi kemst hann ekki í gegnum stjörnuna,“ segir hann.

Annar möguleiki er að efnasamsetning stjörnunnar sjálfrar gæti haft áhrif á hversu mikið hægist á stróknum. Í tilfelli GRB 171205A greindu Kasper og félagar mikið af járni og nikkel sem mynduðust við kjarnasamruna í kjarna stjörnunnar fyrr á æviskeiði hennar. Efnasamsetningin kom heim og saman við hjúp af þessu tagi.

„Þetta þýðir að hluti af járninu og nikkelinu sem myndaðist innan í stjörnunni þegar hún var hefðbundin stjarna hefur sópast út með þessum stróki og losnað út,“ segir Kasper en Páll Jakobsson, prófessor í stjarneðlisfræði, sem hefur sérhæft sig í gammablossum er leiðbeinandi hans í HÍ.

Athuganirnar sýndu að orkan sem hjúpurinn utan um stjörnuna geislaði frá sér var meiri en gammablossans. Þykir það benda til þess að strókurinn hafi eytt verulegum hluta af orku sinni við að brjótast út úr hjúpnum. Það rennir einnig stoðum undir þá hugmynd að gagnverkun stróksins, efnanna í stjörnunni og  hjúpsins hafi áhrif á orku gammablossans.

Uppgötvanir Kaspers og félaga þýða að stjarneðlisfræðingar gætu þurft að uppfæra líkön af sprengistjörnum til að reikna með þessum strókum og hjúp sem myndast þegar stjörnurnar falla saman.

„Það er ekki það að líkönin séu röng heldur verður að taka tillit til strókanna og hjúpsins þegar menn líkja eftir hvernig stjarnan springur,“ segir Kasper.