Forskere fanger de høyfrekvente svingningene i det gigantiske utbruddet av en nøytronstjerne

En internasjonal vitenskapelig gruppe med eksepsjonell valenciansk deltakelse var i stand til for første gang å måle svingningene i lysstyrken til en magnetar i dens mest voldelige øyeblikk. På bare en tiendedel av et sekund frigjorde magnetaren energi tilsvarende den som ble produsert av solen på 100 000 år. Observasjonen ble utført uten menneskelig innblanding, takket være et kunstig intelligenssystem utviklet ved Image Processing Laboratory (IPL) ved Universitetet i Valencia.

Blant nøytronstjernene, objekter som kan inneholde en halv million ganger jordens masse i en diameter på rundt 20 kilometer, er magnetarene, en liten gruppe med de sterkeste magnetfeltene som er kjent. Disse gjenstandene, hvorav bare 30 er kjent, gjennomgår voldsomme utbrudd som fortsatt er lite kjent på grunn av deres uventede natur og deres varighet på bare tideler av et sekund. Å oppdage dem er en utfordring for vitenskap og teknologi.

De siste 20 årene har forskere lurt på om det var noen høyfrekvente oscillasjoner i magnetarene. Teamet publiserte nylig sin studie av et magnetarutbrudd i tidsskriftet Natur. De målte svingningene i magnetarens lysstyrke i de mest voldsomme øyeblikkene. Disse episodene er en avgjørende komponent for å forstå gigantiske magnetarutbrudd. Arbeidet ble ledet av seks forskere fra Universitetet i Valencia og spanske samarbeidspartnere.

«Selv i en inaktiv tilstand kan magnetarer være 100 000 ganger lysere enn solen vår, men i tilfellet med blitsen vi studerte, GRB2001415, tilsvarer energien som ble frigjort det som solen vår utstråler om 100 000 år.» sier lederforsker Alberto J. Castro-Tirado, fra IAA-CSIC.

«Eksplosjonen av magnetaren, som varte i omtrent en tiendedel av et sekund, ble oppdaget 15. april 2020 midt i pandemien,» sier Víctor Reglero, professor i astronomi og astrofysikk ved UV, forsker ved Image Processing Laboratory. (IPL), medforfatter av artikkelen og en av arkitektene til ASIM, instrumentet ombord på den internasjonale romstasjonen som oppdaget utbruddet. «Vi har siden utviklet et veldig intenst dataanalysearbeid, siden det var en 10 ** 16 Gauss nøytronstjerne og den var i en annen galakse. Et ekte kosmisk monster,» sier Reglero.

Forskere tror at utbruddene i magnetarene kan skyldes ustabilitet i magnetosfærene deres eller et slags «jordskjelv» produsert i skorpen deres, et stivt og elastisk lag som er omtrent en kilometer tykt. – Uavhengig av utløseren skapes det en type bølge i stjernens magnetosfære – Alfvén – som er godt kjent for solen og som samhandler med hverandre og sprer energi, forklarer Alberto J. Castro-Tirado.

I følge studien er svingningene som ble oppdaget i utbruddet i samsvar med utslippet som produseres av samspillet mellom Alfvén-bølgene, hvis energi raskt absorberes av skorpen. Dermed, i løpet av noen få millisekunder, slutter den magnetiske gjenkoblingsprosessen, og derfor også pulsene som er oppdaget i GRB2001415, og forsvinner 3,5 millisekunder etter hovedutbruddet. Analysen av fenomenet tillot å anslå at volumet av utbruddet var likt eller enda større enn volumet til den samme nøytronstjernen.

Utbruddet ble oppdaget av ASIM-instrumentet, som er plassert ombord på den internasjonale romstasjonen (ISS). ASIM var det eneste av syv teleskoper som var i stand til å registrere hovedfasen av utbruddet over hele energiområdet uten å bli mettet. Det vitenskapelige teamet klarte å løse den tidsmessige strukturen til begivenheten, en svært kompleks oppgave som krevde mer enn ett års analyse i bare to sekunder der dataene ble samlet inn.

Atmosphere Space Interactions Monitor (ASIM) er et ESA-oppdrag utviklet av Danmark, Norge og Spania, operativt i ISS siden 2018 under veiledning av forskerne Torsten Neubert (Danmarks Tekniske Universitet), Nikolai Ostgaard (Universitetet i Bergen, Norge) og Víctor Reglero (Universitetet i Valencia, Spania), som utgjør ASIM Facility Science Team.

ASIMs mål er å overvåke voldelige fenomener i jordens atmosfære fra optiske til gammabølgelengder ved 40 MeV, en aktivitet som teleskopet har utført siden juni 2018. Det har allerede oppdaget 1000 gammastråleutbrudd. «Siden disse fenomenene er uforutsigbare, bestemmer ASIM helt autonomt når noe har skjedd og sender dataene til de forskjellige sentrene til Science Data Center i København, Bergen og Valencia», forklarer Víctor Reglero.

Å oppdage kvasi-periodiske oscillasjoner i GRB2001415 var en reell utfordring fra et signalanalysesynspunkt. «Vanskeligheten ligger i kortheten til signalet, hvis amplitude raskt avtar og blir innebygd i bakgrunnsstøyen. Og fordi det er relatert støy, er det vanskelig å skille signalet,» sier Reglero. Det kunstige intelligenssystemet, sammen med sofistikerte dataanalyseteknikker, gjorde det mulig for forskere å oppdage dette spektakulære fenomenet.

Selv om disse utbruddene allerede er oppdaget i to av de 30 kjente magnetarene i galaksen og andre nærliggende galakser, er GRB2001415 det fjerneste magnetarutbruddet som er fanget til dags dato, og ligger i Sculptor-gruppen av galakser rundt 13 millioner lysår unna. «Sett i perspektiv var det som om magnetaren ville vise oss sin eksistens fra sin kosmiske ensomhet, og synge i kHz med styrken til en Pavarotti på en milliard soler,» sier Reglero.

Ifølge forfatterne av artikkelen gir utbruddet en avgjørende komponent for å forstå hvordan magnetiske spenninger produseres i og rundt en nøytronstjerne. Kontinuerlig overvåking av magnetarer i galakser i nærheten vil bidra til å forstå dette fenomenet og vil også bane vei for en bedre forståelse av raske radioutbrudd, for tiden blant de mest gåtefulle fenomenene i astronomi.