Ekstrem rumstråling får havet til at koge

Virkelighedens dødsstjerner skyder hidsige gammastråler ud i universet. Målinger tyder nu på, at gammaglimtene er endnu mere potente end først antaget – og at de mindst en gang har ristet livet på Jorden.

Virkelighedens dødsstjerner skyder hidsige gammastråler ud i universet. Målinger tyder nu på, at gammaglimtene er endnu mere potente end først antaget – og at de mindst en gang har ristet livet på Jorden.

Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Den 14. januar 2019 slår Swiftsatellittens systemer alarm. Instrumenterne ombord har registreret en enorm energiudladning fra det dybe rum.

I løbet af 64 sekunder svinger satellitten sit teleskop i retning af den voldsomme begivenhed. I timerne og dagene efter følger flere teleskoper både i rummet og på Jorden hændelsen, der får det astronomiske nummer GRB 190114C.

Bogstaverne GRB afslører, at Swiftsatellitten har opdaget et gammaglimt: en exceptionelt kraftig udladning af kortbølget elektromagnetisk stråling i to strålekegler.

På kort tid udsender et gammaglimt op til ti gange så meget energi, som Solen gør i hele sin levetid.

Swiftsatellittens Burst Alert Telescope (BAT) spotter i løbet af 15 sekunder et gammaglimts position og videresender data til andre teleskoper.

© Nasa

I årtier var gammaglimtenes oprindelse et dybt mysterium, men ét faktum står efterhånden lysende klart: Hvis et gammaglimt sker inden for en afstand af nogle tusinde lysår fra Jorden, kan planeten få alvorlige problemer.

Beregninger viser, at strålingen indeholder tilstrækkelig energi til at bringe alle Jordens vandmasser i kog på 3000 lysårs afstand, og at gammaglimt mindst en gang har haft uhyggelige konsekvenser for livet.

Dødskramper udløser giganteksplosioner

Gammaglimtene var totalt ukendte for astronomerne indtil 1967. Her blev de opdaget ved et tilfælde af de amerikanske Vela-satellitter, som var sendt op for at holde øje med hemmelige sovjetiske atomprøvesprængninger i rummet.

I de følgende årtier fulgte utallige teorier om den kraftige gammastrålings ophav. Især spørgsmålet om, hvor langt borte gammaglimtene blev affyret, delte forskerne i to lejre. Det ene hold mente, at gammaglimtene opstod i en kugleformet sky af stjerner omkring Mælkevejen, mens det andet var overbevist om, at strålingen kom til Jorden fra fjerne galakser.

Konsekvenserne var dog svære at acceptere, for hvis en eksplosion kunne ses så tydeligt på tværs af universet, måtte energien være ekstraordinært høj og potentielt altødelæggende.

I 1997 blev tvisten afgjort med gamma­glimtet GRB 970508, som bekræftede, at glimtene stammer fra fjerne galakser. Her observerede forskerne for første gang den såkaldte rødforskydning – astronomiens svar på skiftet i tonehøjde, når en ambulance kører forbi.

Jo hurtigere ambulancen passerer, jo mere markant bliver skiftet i tonen. Det samme gælder med rødforskydning.

Da universet udvider sig, bevæger galaksehobe sig væk fra hinanden. Jo længere væk de er, jo højere er deres hastighed væk fra Jorden, og jo mere vil lysets røde bølgelængder træde frem. Graden af rødforskydning kan omsættes til en omtrentlig afstand.

For GRB 970508 var afstanden hele seks milliarder lysår. Til sammenligning er Mælkevejen højst 200.000 lysår bred.

Astronomernes bedste bud på en årsag til det exceptionelt energirige fænomen var eksploderende kæmpestjerner. Og allerede året efter, i 1998, blev deres mistanke delvist bekræftet af gammaglimtet GRB 980425, som fulgte blot et døgn efter en gigantisk supernova – en eksplosion skabt af en tung stjerne, som kollapser under sin egen vægt.

Ifølge teorien bliver gam­ma­glim­te­ne udløst af kæmpestjerners dødskramper. Undervejs i kramperne udstøder stjernen stof og stråling, som tilsammen skaber de voldsomme udladninger.

Gammaglimt er tveæggede trillinger

Ved hjælp af satellitmålinger opbyggede astronomerne efterhånden en stor database over gammaglimt, som afslørede, at de består af to grupper. Nogle er korte – i gennemsnit mindre end et sekund – mens andre typisk strækker sig over et tocifret antal sekunder.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Kollaps og kollisioner affyrer gammaglimt

Gammaglimt er uhyggelig kraftfulde udladninger af hård elektromagnetisk stråling. Satellitmålinger har afsløret, at glimtene optræder i en kort og en lang udgave.

Kollision er kortvarig

Korte gammaglimt varer i gennemsnit 0,3 sek. De opstår formentlig, når to neutronstjerner eller en neutronstjerne og et sort hul kolliderer.

Kollaps udsender lange glimt

Lange gammaglimt varer i 30 sek. og opstår formentlig, når universets allerstørste stjerner kollapser under deres egen vægt.

Gammaglimt opstår derfor højst sandsynligt på to forskellige måder. Ifølge astronomerne optræder de lange glimt, når en døende kæmpestjerne kollapser og danner et sort hul, mens de korte gammaglimt er resultatet af sammenstødet mellem to neutronstjerner.

I en hæmningsløs dødedans spirallerer to ekstremt tunge stjerner stadig tættere på hinanden, indtil de til sidst kolliderer.

Sammenstødet skaber et nyt himmellegeme med så stor en masse, at det kollapser under sin egen vægt. I en sidste kraftanstrengelse udsender himmellegemet et kort gammaglimt og omdannes til et sort hul.

De korte gammaglimt findes i to forskellige typer, afhængigt af om de er med eller uden såkaldt forlænget udstråling – en cirka 100 sekunder lang hale af svag gammastråling.

Ifølge kinesiske forskere fra universitetet i Nanjing stammer gam­ma­glimt med forlænget udstråling fra sammensmeltningen af to neutronstjerner, mens glimt uden udstråling opstår i kollisionen mellem en neutronstjerne og et sort hul.

Forskerne har endnu til gode at observere et gammaglimt, der stammer fra Mælkevejen. Heldigvis. Udladningen af energi er nemlig så voldsom, at enhver klode, der befinder sig i en afstand af et par tusind lysår, bliver stegt.

Den totale katastrofe kræver dog, at planeten er på linje med den kollapsende stjernes rotationsakse, da gammastrålingerne bliver udsendt i to strålekegler med en vinkel på 12° fra dødsstjernens polområder.

Savnet foton bærer ekstrem energi

Gammastråling er den mest energirige form for elektromagnetisk stråling og bliver betegnet som ioniserende. Det vil sige, at strålingens høje energi kan slå elektroner løs fra grundstoffer og skabe ioner, som kan være kræftfremkaldende, når de rammer levende celler.

Gammastråling er den mest energirige form for elektromagnetisme. Strålernes korte bølgelængde og høje frekvens udnyttes blandt andet i PET-skanninger.

Netop den høje energi var årsagen til, at astronomerne jublede over Swiftsatellittens opdagelse i januar 2019. Ifølge målinger var gammaglimtet GRB 190114C den største eksplosion, der nogensinde er observeret i universet.

Stjernen, som udsendte gammaglimtet, befandt sig ca. 4,5 milliarder lysår væk, og gammastrålingen har herefter rejst i 4,5 milliarder år med lysets hastighed. Stjernen eksploderede med andre ord ca. på det tidspunkt, hvor Jorden blev skabt.

Teleskop observerer det kraftigste gammaglimt nogensinde

I den såkaldte efterglød af elektromagnetisk stråling (bl.a. radiobølger, synligt lys og røntgenstråling) fandt forskerne en foton med et energiniveau på 1 teraelektronvolt (TeV).

Fotonen var dermed én milliard gange så energirig som almindeligt lys, hvilket underbygger astronomernes teorier om gammaglimtenes oprindelse.

En foton kan nemlig kun opnå så høj en energi ved en proces kaldet omvendt comptonspredning, hvor elektroner med lysets hastighed overfører energi til fotoner i forbindelse med en kæmpestjernes dødskramper.

Kulstof-14-top undrer forskerne

Opdagelsen af den ekstremt energirige foton viser, at gammaglimtene formentlig er endnu kraftigere end først antaget. Derfor får det også alvorligere konsekvenser, hvis en stjerne i Jordens galaktiske nabolag affyrer et.

Forskerne leder lige nu efter spor af gammaglimt tæt på Jorden, og meget tyder på, at de ikke skal længere end 1250 år tilbage for at finde et.

I løbet af ti år har rumteleskopet Fermi registreret 186 gammaglimt. I midten ses Mælkevejen.

© Fermi LAT Collaboration/DOE/NASA

Professor i astrofysik Ralph Neuhäuser fra universitetet i tyske Jena har sammen med sin kollega Valeri Hambaryan opdaget, at årringene i japanske træer viste et 20 gange højere produktion af kulstof-14 i år 774 end normalt.

Senere er samme høje niveau af kulstof-14 registreret i tyske, amerikanske og newzealandske træsorter.

Kulstof-14 er den radioaktive af de i alt tre kulstofisotoper og opstår, når Jordens atmosfære bliver bombarderet med stråling fra universet.

Stiger produktionen af kulstof-14 pludseligt, betyder det, at mere stråling fra rummet har nået vores planet. Træer indarbejder kulstof i deres ved, og jo mere kulstof-14 atmosfæren indeholder, jo forholdsvis mere ender i veddet.

Baseret på mængden af kulstof-14 i træernes ved samt indholdet af beryllium-10 og nitrat i iskerneboringer fra Antarktis anslår Neuhäuser og Hambaryan, at kilden til den ekstra kosmiske stråling var et kort gammaglimt skabt af kollisionen mellem to neutronstjerner 12.000 lysår væk.

Jorden fik en fuldtræffer

Da glimtet ramte i år 774, havde det en begrænset effekt, men oplever Jorden en lignende begivenhed i dag, vil det have samme konsekvenser som et massivt sol­ud­brud og blandt andet sætte vores flåde af satellitter ud af spillet – i al fald midlertidigt.

Hvis gammaglimtet opstår på en afstand af et par tusinde lysår – eller er lige så kraftigt som det, Swiftsatellitten registrerede i januar 2019 – kan det få alvorlige konsekvenser for livet.

For 444 millioner år siden blev Jorden ramt af det næstværste biologiske kollaps i klodens historie. Hændelsen udryddede 49-60 procent af alle slægter og 85 procent af alle arter.

For 444 millioner år siden uddøde 85 procent af alle arter – formentlig pga. et gammaglimt. Strålingen ødelagde bl.a. atmosfæren, så synligt lys blev lukket ude, og skadelig uv-stråling kunne riste kloden.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Gammaglimt rammer kloden

En stjerne på ca. 10.000 lysårs afstand udsender et gammaglimt. Hård stråling rammer atmosfæren og splitter ozon-, ilt-, og kvælstofmolekyler.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Smog lukker lyset ude

Ilt og kvælstof samler sig til den uigennemsigtige og giftige gas kvælstofdioxid. Gassen lukker synligt lys ude og henlægger Jorden i mørke.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Uv-stråler trænger ind

Ozonlaget svækkes, hvilket tillader, at dna-smadrende uv-stråling fra Solen kan trænge ned til jordoverfladen og ind i organismer.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Dyr i overfladen betaler prisen

Mørket og den hårde uv-stråling begår massemord på havdyr, der lever nær overfladen og på lavt vand. Blandt andet uddør flere arter af trilobitter – et leddyr i familie med bænkebidere.

Teorierne om årsagen til masseudryddelsen har været mange – lige fra giftige metaller frigivet fra havbunden til et markant fald i atmosfærens indhold af drivhusgasser.

Men i 2003 foreslog en gruppe amerikanske astronomer, at synderen var et gam­ma­glimt cirka 10.000 lysår væk.

Ifølge forskerne omdannede gammastrålingen atmosfærens indhold af ilt- og nitrogenmolekyler til kvælstofdioxid og skaber en uheldig treenighed af effekter for livet.

Selve glimtet ødelægger ozonlaget, så Solens skadelige ultraviolette stråler når ned til jordoverfladen, mens kvælstofdioxiden gør nedbøren sur og lukker sollyset ude, så planter dør, og temperaturen falder. Alle tre effekter passer med forløbet for 444 millioner år siden.

Samtidig har forskerne fundet afslørende beviser i form af, hvilke arter der overlevede, og hvilke der ikke gjorde. En af Jordens mest udbredte dyregrupper var trilobitter, en gruppe af leddyr, som er beslægtet med nutidens dolkhaler og bænkebidere.

Ved en masseuddøen overlever de mest udbredte arter normalt – dvs. dem med de største arealer af levesteder – da de er bedre rustet end arter med ét begrænset levested.

Men for 444 millioner år siden forsvandt arter, der levede på lavt vand eller ofte bevægede sig tæt på havoverfladen. Omvendt overlevede arter af trilobitter, som befandt sig på dybt vand.

Trilobitter lignede gigantiske bænkebidere. Da et kraftigt gammaglimt ramte Jorden for 444 millioner år siden, overlevede kun de arter, som levede dybt i havet.

Opdagelsen tyder på, at netop det udbredte liv nær overfladen var forbundet med fare og drastisk ændrede levevilkår pga. gammastrålingens hærgen.

Nye teleskoper måler blå stråling

Selvom satellitter og teleskoper i gennemsnit observerer ét gammaglimt om dagen, oplever hver galakse statistisk set blot nogle få for hver én million år.

Risikoen for, at Jorden bliver steriliseret i den nærmeste fremtid, er dermed forsvindende lille. Men den er der. Derfor leder forskerne nu i Jordens galaktiske nabolag efter den næs­te stjerne, som kan forårsage et gammaglimt.

Det bedste – eller værste – bud på en sådan stjerne fandt en gruppe australske og britiske forskere i 2018, da de undersøgte det mystiske stjernesystem 2XMM J160050.7-514245, også kaldet Apep, som befinder sig omkring 8000 lysår fra Jorden.

Dermed er Apep inden for den afstand, hvor en fuldtræffer fra en af de to kegleformede dødsstråler vil forårsage alvorlige problemer for vores planet. Apep består af en dobbeltstjerne med en tredje stjerne i kredsløb omkring sig.

Stjernerne i dobbeltstjernen er såkaldte Wolf-Rayet-stjerner – en stjernetype, som opstår i de sidste par hundredtusind år af en kæmpestjernes liv.

Uden om dobbeltstjernen ligger en forviklet tåge af udslynget materiale, hvilket tyder på, at mindst et af dobbeltstjernens medlemmer roterer ekstremt hurtigt.

Ifølge astronomerne er netop den type hurtigtroterende stjerne den mest oplagte kandidat til de lange gammaglimt.

Hård gammastråling fra et fjernt gammaglimt når ikke ned gennem Jordens atmosfære. I stedet omdannes den til blålig cherenkov-stråling, som jordteleskoper kan observere.

© ken ikeda madsen & Pachango

Stråler rammer atmosfæren

Hårde gammastråler rammer med lysets hastighed luftpartikler. Kollisionen sætter gang i en kortlivet elektromagnetisk kaskade af blåt lys kaldet cherenkov-lys fra ca. 20 kilometers højde.

© ken ikeda madsen & Pachango

Flygtig lyskegle breder sig

Det blå lys udbreder sig i løbet af få nano­sekunder i en kegle, der bliver observeret af teleskoper på landjorden. Teleskoperne er samlet i grupper, så lyset observeres fra forskellige vinkler.

© ken ikeda madsen & Pachango

Kilden til gammaglimtet afsløres

Når astronomerne sammenholder resultater fra flere teleskoper, kan de udpege retningen til kilden og undersøge resterne af gammaglimtet, den såkaldte efterglød af bl.a. lys og røntgenstråler.

For bedre at forstå det eksplosive fænomen har forskerne brug for mere data om gammaglimtene.

Hvor kritisk data de seneste årtier er kommet fra satellitter som Swift og Fermi-rumteleskopet, så satser astronomerne nu på jordbaserede observationer – især i form af det multinationale CTA-projekt.

CTA står for Cherenkov Telescope Array og består af to store samlinger af såkaldte Cherenkov-teleskoper i henholdsvis Chile og på La Palma – en af De Kanariske Øer ud for Afrikas vestkyst. Med Cherenkov-teleskoper kan forskerne registrere gammahændelser i universet.

Når gammastrålerne rammer luftmolekyler i den øvre atmosfære, slås de i stykker og skaber en byge af partikler med meget høj energi.

Partiklerne bliver registreret i form af blåt lys kaldet cherenkov-stråling, der i en kegleform stråler ned mod jordoverfladen og afslører både styrken og retningen til den oprindelige gammakilde.

Med flere hundrede mindre teleskoper bliver CTA ti gange følsommere end tidligere jordbaserede gamma-observatorier. De første prototyper bliver konstrueret på La Palma fra 2022, og efter planen skal målingerne være oppe på fuldt tryk i 2026.

På det tidspunkt vil astronomerne få endnu større indsigt i et af de få fænomener i universet, de ikke har lyst til at komme tættere på end allerhøjst nødvendigt.