Voor het eerst is in het lichtspectrum van een kosmische gammaflits een emissielijn ontdekt, een soort vingerafdruk die meer kan vertellen over de oorsprong van de flits.
Gammaflitsen zijn kortstondige, krachtige uitbarstingen van hoogenergetische gammastraling. Hoewel hun bestaan al een halve eeuw bekend is, is er nog veel onbekend over hoe ze ontstaan. Nu heeft een internationale onderzoeksgroep, onder leiding van sterrenkundige Maria Edvige Ravasio van de Radboud Universiteit in Nijmegen, voor het eerst een zogeheten emissielijn ontdekt in de gammastraling van zo’n flits: een piek in het licht- of stralingsspectrum. De ontdekking is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science.
Verrassende gammaflits
De ontdekking van gammaflitsen gebeurde bij toeval. Eind jaren zestig zagen militaire satellieten, die speurden naar gammastraling van kernproeven, krachtige flitsen van gammastraling die niet uit de richting van de aarde kwamen. Uit het wetenschappelijke onderzoek dat daarop volgde bleek dat deze heftige uitbarstingen van hoogenergetische gammastraling afkomstig zijn uit verre sterrenstelsels.
Sterrenkundige Yamila Miguel: ‘Ik verbind onze kennis van het zonnestelsel met exoplanetenonderzoek’
Welke moleculen zweven er rond in de atmosferen van planeten rond verre sterren? En hoe ziet het binnenste van onze ‘eigen’ Jupiter eruit? Met die ...
De flitsen duren een paar milliseconden tot hooguit enkele minuten. Sterrenkundigen denken dat de korte flitsen, van minder dan twee seconden, ontstaan als twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat samensmelten. De langere gammaflitsen ontstaan waarschijnlijk als een zware ster ineenstort tot een zwart gat.
In beide gevallen kan er uit het ontstane zware gat een jet, een straal van materie en straling, spuiten, met ook gammastraling. Als die jet toevallig in de richting van de aarde wijst, dan kunnen ruimtetelescopen het waarnemen.
‘We weten bij welke gebeurtenissen gammaflitsen kunnen ontstaan, maar er is nog veel wat we er niet van weten’, vertelt Maria Edvige Ravasio. ‘We tasten bijvoorbeeld nog in het duister over de samenstelling van de jet en het mechanisme dat de gammastraling produceert.’
Vingerafdruk
Emissielijnen zouden sterrenkundigen kunnen helpen om deze vragen te beantwoorden. Deze duidelijke lijnen in het spectrum van een flits kun je zien als een soort vingerafdruk. Specifieke lijnen ontstaan door specifieke gebeurtenissen. Zo veroorzaakt de interactie van licht met waterstofatomen bijvoorbeeld een paar herkenbare emissielijnen in het zichtbare-lichtspectrum en in het radiospectrum.
Het bleek lastig om emissielijnen te vinden in gammaflitsen. De flitsen waren te kort of niet helder genoeg om ze met zekerheid te kunnen onderscheiden in het spectrum. Nu is het voor het eerst wel gelukt om een enkele emissielijn te onderscheiden.
Helderste aller tijden
Deze eerste, en tot nu toe enige, gammaflits-emissielijn ontdekten sterrenkundigen bij de gammaflits GRB 221009A. Deze zeven minuten durende gammaflits werd op 9 oktober 2022 waargenomen door onder meer de Fermi-ruimtetelescoop. De flits is de felste ooit gemeten, en kreeg daarom de bijnaam BOAT, oftewel Brightest Of All Time (helderste aller tijden). ‘Die extreme helderheid hielp ons om een emissielijn te ontdekken’, vertelt Ravasio.
‘Mijn promotiebegeleider vertelde me ooit dat je weet dat je dichtbij een belangrijke ontdekking bent als je kippenvel krijgt’, zegt Ravasio. ‘De avond dat ik het spectrum van GRB 221009A aan het analyseren was, en de emissielijn voor het eerst zag, had ik niet meteen kippenvel. Ik dacht dat de analyse misschien niet klopte. Maar toen ik het gecontroleerd had zag dat de lijn er nog steeds was, kreeg ik wel kippenvel.’
Elektron-positron-paren
Behalve dat de onderzoekers nu weten dat emissielijnen in gammaflitsen zichtbaar kunnen zijn, heeft de ontdekking nog niet tot nieuwe inzichten geleid. Ravasio: ‘We weten nog niet wat deze emissielijn veroorzaakt heeft. Zonder die kennis weten we niet hoe we verder moeten zoeken naar lijnen in spectra van andere gammaflitsen. Daarom gaan we nu eerst deze ontdekking verder onderzoeken om te achterhalen wat de oorzaak is.’
Op dit moment is de meest waarschijnlijke verklaring dat de emissielijn ontstond door paren van elektronen en positronen – de positief geladen tegenhangers van elektronen – die elkaar vernietigen als ze in de jet op elkaar botsen. De energie van de straling die daarbij vrijkomt, kan overeenkomen met de piek in het spectrum.
‘Als dit inderdaad de bron van de emissielijn is, dan is dat pas het begin. We kunnen met die kennis bijvoorbeeld de snelheid van de elektronen en positronen, en daarmee van de jet, gaan bepalen’, zegt Ravasio. ‘En het kan ons helpen om eindelijk de samenstelling van de jet te achterhalen.’
