Ekstrem romstråling får havet til å koke

Virkelighetens dødsstjerner skyter hissige gammastråler ut i universet. Målinger tyder nå på at gammaglimtene er enda mer potente enn først antatt – og at de minst en gang har stekt livet på jorden.

Virkelighetens dødsstjerner skyter hissige gammastråler ut i universet. Målinger tyder nå på at gammaglimtene er enda mer potente enn først antatt – og at de minst en gang har stekt livet på jorden.

Ken Ikeda Madsen & Shutterstock
  1. januar 2019 slår Swift-satellittens systemer alarm. Instrumentene om bord har registrert en enorm energiutladning fra det dype rommet.

I løpet av 64 sekunder svinger satellitten teleskopet sitt i retning av den voldsomme begivenheten. I timene og dagene etter følger flere teleskoper både i rommet og på bakken hendelsen, som får det astronomiske nummeret GRB 190114 °C.

Bokstavene GRB avslører at Swift-satellitten har oppdaget et gammaglimt: en eksepsjonelt kraftig utladning av energirik elektromagnetisk stråling i to kjegler.

På kort tid sender et gammaglimt ut opptil ti ganger så mye energi som solen gjør i hele sin levetid.

© Nasa

I tiår var gammaglimtenes opprinnelse et mysterium, men ett faktum står etter hvert lysende klart: Hvis et gammaglimt skjer innen en avstand av noen tusen lysår fra jorden, kan planeten få alvorlige problemer.

Beregninger viser at strålingen inneholder nok energi til å koke havene våre, selv på 3000 lysårs avstand, og at gammaglimt minst en gang har hatt uhyggelige konsekvenser for livet på jorden.

Dødskramper utløser giganteksplosjoner

Gammaglimtene var totalt ukjente for astronomene inntil 1967.

De ble oppdaget ved en tilfeldighet av de amerikanske Vela-satellittene, som var sendt opp for å holde øye med hemmelige sovjetiske atomprøvesprengninger i verdensrommet.

I de følgende tiårene fulgte utallige teorier om opphavet til den kraftige gammastrålingen. Særlig spørsmålet om avstanden til kildene til gammaglimtene, delte forskerne i to leirer.

Den ene leiren mente at gammaglimtene oppsto i en kuleformet sky av stjerner rundt Melkeveien, mens den andre var overbevist om at strålingen kom til jorden fra fjerne galakser.

Konsekvensene var imidlertid vanskelige å akseptere, for hvis en eksplosjon kunne ses så tydelig på tvers av universet, måtte energien være ekstraordinært høy og potensielt destruktiv

I 1997 ble tvisten avgjort med gammaglimtet GRB 970508, som bekreftet at glimtene stammer fra fjerne galakser.

Da observerte forskerne for første gang den såkalte rødforskyvningen – astronomiens svar på skiftet i tonehøyde når en ambulanse kjører forbi. Jo raskere ambulansen passerer, jo mer markant blir skiftet i tonen.

Det samme gjelder med rødforskyvning. Siden universet utvider seg, beveger galaksehopene seg vekk fra hverandre.

Jo lenger vekk de er, jo høyere er hastigheten vekk fra jorden, og jo mer vil lysets røde bølgelengder stå fram. Graden av rødforskyvning kan omsettes til en omtrentlig avstand.

For GRB 970508 var avstanden hele seks milliarder lysår. Til sammenligning er Melkeveien 200 000 lysår bred. Astronomenes beste kandidat til en årsak til det eksepsjonelt energirike fenomenet var eksploderende kjempestjerner.

Og allerede året etter, i 1998, ble mistanken delvis bekreftet av gammaglimtet GRB 980425, som fulgte bare et døgn etter en gigantisk supernova – en eksplosjon skapt av en tung stjerne som kollapser under sin egen vekt.

Ifølge teorien blir gammaglimtene utløst av kjempestjerners dødskramper. Underveis i prosessen støter stjernen ut materie og stråling som til sammen skaper de voldsomme utladningene.

Gammaglimt er tveeggede trillinger

Ved hjelp av satellittmålinger bygget astronomene etter hvert opp en stor database over gammaglimt som avslørte at de består av to grupper. Noen er korte – i gjennomsnitt mindre enn et sekund – mens andre typisk strekker seg over et tosifret antall sekunder.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Kollaps og kollisjoner avfyrer gammaglimt

Gammaglimt er uhyggelig kraftige utladninger av hard elektromagnetisk stråling. Satellittmålinger har avslørt at glimtene opptrer i en kort og en lang utgave.

Kollisjon er kortvarig

Korte gammaglimt varer i gjennomsnitt 0,3 sek. De oppstår antagelig når to nøytronstjerner eller en nøytronstjerne og et svart hull kolliderer.

Kollaps sender ut lange glimt

Lange gammaglimt varer i 30 sekunder og oppstår antagelig når universets aller største stjerner kollapser under sin egen vekt.

Gammaglimt oppstår derfor høyst sannsynlig på to ulike måter. Ifølge astronomene opptrer de lange glimtene når en døende kjempestjerne kollapser og danner et svart hull, mens de korte gammaglimtene er resultatet av sammenstøtet mellom to nøytronstjerner.

I en hemningsløs dødsdans beveger to ekstremt tunge stjerner seg stadig nærmere hverandre i en spiral fram til de til slutt kolliderer.

Sammenstøtet skaper et nytt himmellegeme med så stor masse at det kollapser under sin egen vekt. I en siste kraftanstrengelse sender himmellegemet ut et kort gammaglimt og gjøres om til et svart hull.

De korte gammaglimtene finnes i to ulike typer, avhengig av om de er med eller uten såkalt forlenget utstråling – en om lag 100 sekunder lang hale av svak gammastråling.

Ifølge kinesiske forskere fra universitetet i Nanjing stammer gammaglimt med forlenget utstråling fra sammensmeltningen av to nøytronstjerner, mens glimt uten utstråling oppstår i kollisjonen mellom en nøytronstjerne og et svart hull.

Forskerne har fortsatt til gode å observere et gammaglimt som stammer fra Melkeveien. Heldigvis. Utladningen av energi er nemlig så voldsom at enhver klode som befinner seg i en avstand av et par tusen lysår, blir stekt.

Den totale katastrofen krever imidlertid at planeten er på linje med den kollapsende stjernens rotasjonsakse, ettersom gammastrålingene blir sendt ut i to strålekjegler med en vinkel på 12 grader fra dødsstjernens polområder.

Savnet foton bærer ekstrem energi

Gammastråling er den mest energirike formen for elektromagnetisk stråling og blir betegnet som ioniserende. Det vil si at strålingens høye energi kan slå løs elektroner fra grunnstoffer og skape ioner, som kan være kreftframkallende når de rammer levende celler.

Gammastråling er den mest energirike formen for elektromagnetisme. Strålenes korte bølgelengde og høye frekvens utnyttes blant annet i PET-skanninger.

Nettopp den høye energien var årsaken til at astronomene jublet over Swift-satellittens oppdagelse i januar 2019. Ifølge målinger var gammaglimtet GRB 190114 °C den største eksplosjonen som noensinne er observert i universet.

Stjernen som sendte ut gammaglimtet, befant seg om lag 4,5 milliarder lysår unna, og gammastrålingen har deretter reist i 4,5 milliarder år med lysets hastighet.

Stjernen eksploderte med andre ord om lag på det tidspunktet da jorden ble skapt.

Teleskop observerer det kraftigste gammaglimt nogensinde

I den såkalte ettergløden av elektromagnetisk stråling (blant annet radiobølger, synlig lys og røntgenstråling) fant forskerne et foton med et energinivå på 1 teraelektronvolt (TeV).

Fotonet var dermed én milliard ganger så energirikt som alminnelig lys, noe som underbygger astronomenes teorier om gammaglimtenes opprinnelse.

Et foton kan nemlig bare oppnå en så høy energi ved en prosess kalt omvendt comptonspredning, der elektroner som beveger seg med nesten lysets hastighet overfører energi til fotoner i forbindelse med en kjempestjernes dødskramper.

Karbon-14-topp skaper undring

Oppdagelsen av det ekstremt energirike fotonet viser at gammaglimtene antagelig er enda kraftigere enn først antatt.

Derfor får det også alvorligere konsekvenser hvis en stjerne i jordens galaktiske nabolag skulle avfyre et av dem.

Forskerne leter nå etter spor av gammaglimt tett på jorden, og det er mye som tyder på at de ikke skal lenger enn 1250 år tilbake for å finne et.

© Fermi LAT Collaboration/DOE/NASA

Professor i astrofysikk Ralph Neuhäuser fra universitetet i tyske Jena har sammen med kollegaen Valeri Hambaryan oppdaget at årringene i japanske trær viste en 20 ganger høyere produksjon av karbon-14 enn normalt i år 774.

Senere er samme høye nivå av karbon-14 registrert i tyske, amerikanske og newzealandske tresorter.

Karbon-14 er den radioaktive av de i alt tre karbon­isotopene og oppstår når jordens atmosfære blir bombardert med stråling fra universet.

Stiger produksjonen av karbon-14 plutselig, betyr det at mer stråling fra verdensrommet har nådd planeten vår. Trær innleirer karbon i veden, og jo mer karbon-14 atmosfæren inneholder, jo mer ender i treverket.

Basert på mengden karbon-14 i trærne – samt innholdet av beryllium-10 og nitrat i iskjerneboringer fra Antarktis – anslår Neuhäuser og Hambaryan at kilden til den ekstra mengden kosmiske strålingen var et kort gammaglimt skapt av kollisjonen mellom to nøytronstjerner 12 000 lysår unna.

Jorden fikk en fulltreffer

Da glimtet rammet i år 774, hadde det en begrenset effekt, men hvis jorden skulle oppleve en lignende begivenhet i dag, vil det ha samme konsekvenser som et massivt solutbrudd og blant annet sette alle satellittene våre ut av spill – i alle fall midlertidig.

Hvis gammaglimtet oppstår på en avstand av et par tusener lysår – eller er like kraftig som det Swift-satellitten registrerte i januar 2019 – kan det få alvorlige konsekvenser for livet på jorden.

For 444 millioner år siden ble jorden truffet av den nest verste biologiske kollapsen i klodens historie. Hendelsen utryddet 49–60 prosent av alle slekter og 85 prosent av alle arter

For 444 millioner år siden døde ut 85 prosent av alle arter – antagelig på grunn av et gammaglimt. Strålingen ødela blant annet atmosfæren, slik at synlig lys ble stengt ute og skadelig UV-stråling kunne steke kloden.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Gammaglimt rammer kloden

En stjerne på 10 000 lysårs avstand sender ut et gammaglimt. Stråling rammer atmosfæren og splitter ozon-, oksygen-, og nitrogenmolekyler.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Smog stenger ute lyset

Oksygen og nitrogen samler seg til det ugjennomsiktige og giftige gassen nitrogendioksid. Gassen stenger ute synlig lys og legger jorden i mørke.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

UV-stråler trenger inn

Ozonlaget svekkes, noe som lar DNA-ødeleggende UV-stråling fra solen trenge ned til bakken, der den rammer organismene.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Dyr på overflaten betaler prisen

Mørket og den harde UV-strålingen begår massemord på havdyr som lever nær overflaten og på grunt vann. Blant annet dør flere arter av trilobitter ut – et leddyr i familie med skrukketroll.

Teoriene om årsaken til masseutryddelsen har vært mange – helt fra giftige metaller frigitt fra havbunnen til markante endringer i atmosfærens innhold av drivhusgasser.

Men i 2003 foreslo en gruppe amerikanske astronomer at synderen var et gammaglimt om lag 10 000 lysår unna. Ifølge forskerne gjorde gammastrålingen atmosfærens innhold av oksygen- og nitrogenmolekyler om til nitrogendioksid, noe som skapte en uheldig treenighet av effekter for livet.

Selve glimtet ødelegger ozonlaget, slik at skadelig ultrafiolett stråling fra solen når ned til bakken, mens nitrogendioksidet gjør nedbøren sur og stenger ute sollyset, slik at planter dør og temperaturen faller. Alle de tre effektene passer med forløpet for 444 millioner år siden.

Samtidig har forskerne funnet avslørende beviser i form av hvilke arter som overlevde og hvilke som ikke gjorde det. En av jordens mest utbredte dyregrupper var trilobitter, en gruppe av leddyr som er beslektet med nåtidens dolkhaler og skrukketroll.

Ved en masseutryddelse overlever normalt de mest utbredte artene – altså de med de største arealene av levesteder – siden de er bedre rustet enn arter med ett begrenset levested.

Men for 444 millioner år siden forsvant arter som levde på grunt vann eller ofte beveget seg tett på havoverflaten. Derimot overlevde arter av trilobitter som befant seg på dypt vann.

Trilobitter lignet gigantiske skrukketroll. Da et kraftig gammaglimt rammet jorden for 444 millioner år siden, overlevde bare artene som levde dypt i havet.

Oppdagelsen tyder på at nettopp livet nær overflaten var forbundet med fare og drastisk endrede livsvilkår på grunn av gammastrålingens herjing.

Nye teleskoper måler blå stråling

Selv om satellitter og teleskoper i gjennomsnitt observerer ett gammaglimt om dagen, opplever hver galakse statistisk sett bare noen få på en million år.

Risikoen for at jorden blir sterilisert i den nærmeste framtid, er dermed forsvinnende liten. Men den er der.

Derfor leter forskerne nå i jordens galaktiske nabolag etter den neste stjerne som kan forårsake et gammaglimt.

Den beste – eller verste – kandidaten til en slik stjernen fant en gruppe australske og britiske forskere i 2018, da de undersøkte det mystiske stjernesystemet 2XMM, også kalt Apep, som befinner seg omkring 8000 lysår fra jorden.

Dermed er Apep innen den avstanden der en fulltreffer fra en av de to kjegleformede dødsstrålene vil forårsake alvorlige problemer for planeten vår.

Apep består av en dobbeltstjerne med en tredje stjerne i bane rundt seg. Dobbeltstjernen er av Wolf-Rayet-typen – som befinner seg i de siste par hundre tusen årene av disse kjempenes livssyklus.

Utenom dobbeltstjernen ligger en forviklet tåke av utslynget materiale, noe som tyder på at minst ett av medlemmene av systemet roterer ekstremt raskt. Ifølge astronomene er det en slik stjerne, som roterer ekstremt raskt, den mest opplagte kandidaten til de lange gammaglimtene.

Hard gammastråling fra et fjernt gammaglimt når ikke gjennom jordens atmosfære. I stedet gjøres den om til blålig tsjerenkov-stråling, som jordteleskoper kan observere.

© ken ikeda madsen & Pachango

Stråler rammer atmosfæren

Harde gammastråler rammer luftpartikler. Kollisjonen setter gang i en kortlivet elektromagnetisk kaskade av blått lys som kalles tsjerenkov-lys fra om lag 20 kilometers høyde.

© ken ikeda madsen & Pachango

Flyktig lyskjegle brer seg

Det blå lyset sprer seg i løpet av få nanosekunder i en kjegle som blir observert av teleskoper på bakken. Teleskopene er samlet i grupper slik at lyset observeres fra ulike vinkler.

© ken ikeda madsen & Pachango

Kilden til gammaglimtet avsløres

Når astronomene sammenligner resultater fra flere teleskoper, kan de peke ut retningen til kilden og undersøke restene av glimtet, den såkalte ettergløden av lys og røntgenstråler.

For å forstå det eksplosive fenomenet bedre trenger forskerne mer data. De siste tiårene har kommet kjærkomne datasett fra satellitter som Swift og fra Fermi-­romteleskopet, men i tillegg satser astronomene på observasjoner fra bakken – og da særlig i form av det multi­nasjonale CTA-prosjektet.

CTA står for Cherenkov Telescope Array og består av to store samlinger av såkalte tsjerenkov-teleskoper i henholdsvis Chile og på La Palma – en av Kanariøyene utenfor vestkysten av Afrika.

Med tsjerenkov-teleskoper kan forskerne registrere gammahendelser i universet. Når luftmolekyler i den øvre atmosfæren blir truffet av gammastråling, slås de i stykker og skaper en byge av partikler med svært høy energi.

Partiklene blir registrert i form av blått lys som kalles tsjerenkov-stråling, som i en kjegleform av stråler ned mot bakken som avslører både styrken og retningen til den opprinnelige gammakilden.

Med flere hundre mindre teleskoper blir CTA ti ganger mer følsomt enn tidligere gammaobservatorier.

De første prototypene blir konstruert på La Palma fra 2022, og etter planen skal målingene være i full gang i 2026.

Da vil astronomene få enda større innsikt i et av de få fenomenene i universet de ikke har lyst til å komme nærmere enn aller høyest nødvendig.