Extrem rymdstrålning får havet att koka

Verklighetens dödsstjärnor skjuter ut stark gammastrålning i universum, och mätningar tyder på att gammablixtarna är kraftigare än vad forskarna tidigare har trott. Vid minst ett tillfälle har gammablixtarna ­skakat livet på jorden.

Verklighetens dödsstjärnor skjuter ut stark gammastrålning i universum, och mätningar tyder på att gammablixtarna är kraftigare än vad forskarna tidigare har trott. Vid minst ett tillfälle har gammablixtarna ­skakat livet på jorden.

Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Den 14 januari 2019 larmar Swiftsatellitens system. Instrumenten ombord har registrerat en enorm energiurladdning i djuprymden. 64 sekunder senare har satelliten riktat sitt teleskop mot utbrottet.

Under de följande timmarna och dagarna följer flera teleskop – både i rymden och på jorden – händelsen, som får det astronomiska numret GRB 190114C.

Bokstäverna GRB visar att Swiftsatelliten har upptäckt en gammablixt, en exceptionellt kraftig urladdning av kortvågig elektromagnetisk strålning i två strålkäglor.

På kort tid avger en gammablixt upp till tio gånger mer energi än vad solen gör under hela sin livstid.

© Nasa

I årtionden var gammablixtarnas ursprung ett mysterium, men ett faktum står nu klart: Om en gammablixt uppstår inom ett avstånd av några tusen ljusår från jorden riskerar planeten att drabbas av stora problem.

Beräkningar visar att strålningen innehåller tillräckligt mycket energi för att från 3 000 ljusårs avstånd få alla jordens vattenmassor att börja koka. Vid minst ett tillfälle i vår planets historia har en gammablixt fått fruktansvärda konsekvenser för livet.

Dödsryckningar utlöser enorma explosioner

Fram till år 1967 var gammablixtarna okänt territorium för astronomerna.

De upptäcktes av en slump av de amerikanska Velasatelliterna, som sändes upp för att hålla ett öga på hemliga sovjetisk kärnvapenprovsprängningar i rymden. Under de följande årtiondena förekom otaliga teorier om den starka gammastrålningens ursprung.

Särskilt frågan om hur långt bortifrån gammablixtarna kom delade forskarna i två läger.

Den ena gruppen menade att gammablixtarna uppstod i ett sfäriskt moln av stjärnor relativt nära Vintergatan, medan den andra gruppen var övertygad om att strålningen kom till jorden från avlägsna galaxer.

Konsekvenserna var dock svåra att acceptera – om en explosion syntes så tydligt tvärs igenom universum måste energin vara extraordinärt hög och potentiellt förödande.

År 1997 avgjordes tvisten med gammablixten GRB 970508, som bekräftade att dessa fenomen faktiskt härrör från avlägsna galaxer.

För första gången observerade forskarna den så kallade rödförskjutningen, astronomins svar på tonhöjdsförändringen när en ambulans med påslagna sirener kör förbi.

Ju snabbare den passerar, desto mer förändras tonhöjden. Likadant är det med rödförskjutningen. När universum utvidgas rör sig galax-hoparna bort från varandra.

Ju längre bort de befinner sig, desto snabbare rör de sig bort från jorden och desto mer framträder ljusets röda våglängder. Graden av rödförskjutning kan omsättas till ett ungefärligt avstånd, och GRB 970508 befann sig hela sex miljarder ljusår bort. Som jämförelse är Vintergatan som mest 200 000 ljusår bred.

Astronomernas bästa förslag var att exploderande jättestjärnor låg bakom det oerhört energirika fenomenet. Redan året därpå, 1998, bekräftades deras misstanke delvis av gammablixten GRB 980425, som kom bara ett dygn efter en enorm supernova – en explosion av en tung stjärna som kollapsar under sin egen vikt.

Enligt teorin utlöses gammablixtarna av en jättestjärnas dödsryckningar. Då avger stjärnan materia och strålning som tillsammans skapar våldsamma urladdningar.

Gammablixtar är tveeggade trillingar

Med hjälp av satellitmätningar byggde astronomerna med tiden upp en stor databas över gammablixtar, som visade att de kan delas in i två grupper. Vissa är kort­variga, i genomsnitt under en sekund, medan andra kan pågå i ett tvåsiffrigt antal sekunder.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Sönderfall och kollisioner skapar gammablixtar

Gammablixtar är oerhört kraftfulla urladdningar av elektromagnetisk strålning. Satellitmätningar har visat att dessa blixtar kan vara både korta och långa.

Kollisioner är kortvariga

Korta gammablixtar varar i genomsnitt 0,3 sekunder. De uppstår troligen när två neutronstjärnor eller en neutronstjärna och ett svart hål kolliderar.

Sönderfall avger långa blixtar

Långa gammablixtar, som kan vara i 30 sekunder, uppstår troligen när universums allra största stjärnor kollapsar under sin egen vikt.

Gammablixtar uppstår därför sannolikt på två olika sätt. Enligt astronomerna uppstår de långvariga blixtarna när en döende jättestjärna kollapsar och skapar ett svart hål, medan de korta gammablixtarna är resultatet av en kollision mellan två neutronstjärnor.

I en hämningslös dödsdans roterar två extremt tunga stjärnor allt närmare varandra tills de slutligen kolliderar. Kollisionen skapar en ny himlakropp med så stor massa att den kollapsar under sin egen vikt. I en sista kraftansträngning avger himlakroppen en kort gammablixt och omvandlas till ett svart hål.

Det finns två olika typer av korta gammablixtar, beroende på om de har eller inte har så kallad förlängd utstrålning – en cirka hundra sekunder lång svans av svag gammastrålning.

Enligt kinesiska forskare vid ­universitetet i Nanjing kommer gammablixtar med förlängd utstrålning från hopsmältning av två neutron­stjärnor, medan blixtar utan utstrålning uppstår i kollisionen mellan en neutronstjärna och ett svart hål.

För forskarna återstår det ännu – som tur är – att observera en gammablixt i Vintergatan. Gammablixtar är nämligen så våldsamma att alla planeter som befinner sig på ett avstånd av ett par tusen ljusår blir stekta.

För att en sådan katastrof ska inträffa krävs dock att planeten ligger i linje med den kollapsande stjärnans rotations-axel, eftersom gammastrålningen avges i två strålkäglor i tolv graders vinkel från dödsstjärnans polområden.

Saknad foton bär extrem energi

Gammastrålning, den mest energirika typen av elektromagnetisk strålning, kallas joniserande. Det innebär att strålningens höga energi kan slå loss elektroner från grundämnen och skapa joner som kan vara cancerframkallande när de träffar levande celler.

Gammastrålning är den mest energirika typen av elektromagnetism. Strålningens korta våglängd och höga frekvens används bland ­annat i PET-skanningar.

Just den höga energin var anledningen till att astronomerna jublade över Swiftsatellitens upptäckt i januari 2019.

Enligt mätningarna var gammablixten GRB 190114C den största explosion som någonsin observerats i universum. Stjärnan som gav ifrån sig gammablixten befann sig cirka 4,5 miljarder ljusår bort.

Gammastrålningen har följaktligen färdats i 4,5 miljarder år i ljusets hastighet och exploderade därmed ungefär vid samma tidpunkt som när jorden bildades.

Teleskop observerer det kraftigste gammaglimt nogensinde

I den så kallade efterglöden av elektromagnetisk strålning (bland annat radiovågor, synligt ljus och röntgenstrålning) upptäckte forskarna en foton med en energi­nivå på en teraelektronvolt.

Fotonen var därmed en miljard gånger energirikare än vanligt ljus, vilket ger stöd åt astronomernas teorier om gammablixtarnas ursprung.

En foton kan nämligen bara uppnå så hög energi genom en process som kallas omvänd Comptonspridning, där elektroner i ljusets hastighet överför energi till fotoner i samband med en jättestjärnas dödsryckningar.

Kol-14-topp förvånar forskarna

Upptäckten av den extremt energirika fotonen visar att gammablixtarna troligen är ännu kraftigare än vad man tidigare trott. Därför får det också allvarligare konsekvenser om en stjärna i jordens galaktiska grannskap skulle avge en gammablixt.

Forskarna letar just nu efter spår av gammablixtar nära jorden, och mycket tyder på att de inte behöver gå längre än 1 250 år tillbaka i tiden för att hitta en.

© Fermi LAT Collaboration/DOE/NASA

Ralph Neuhäuser, professor i astrofysik vid universitetet i tyska Jena, har tillsammans med sin kollega Valeri Hambaryan upptäckt att årsringarna i japanska träd år 774 innehöll 20 gånger mer kol-14 än normalt.

Senare har samma höga nivå av kol-14 registrerats i tyskt, amerikanskt och nyzeeländskt trä.

Kol-14, den radioaktiva av totalt tre kolisotoper, bildas när jordens atmosfär bombarderas med strålning från universum. Om mängden kol-14 plötsligt stiger betyder det att mer strålning från rymden har nått oss.

Träd ansamlar kol i veden, så ju mer kol-14 atmosfären innehåller, desto mer hamnar i veden.

Utifrån mängden kol-14 i ved samt innehållet av beryllium-10 och nitrat i iskärneborrningar från Antarktis uppskattar Neuhäuser och Hambaryan att källan till den ökade kosmiska strålningen var en kort gammablixt skapad av kollisionen mellan två neutronstjärnor 12 000 ljusår bort.

Jorden träffades av en bredsida

Gammablixten år 774 hade en begränsad effekt, men om jorden skulle drabbas av något liknande i dag hade det fått samma konsekvenser som ett massivt solutbrott och bland annat satt vår flotta av satelliter ur spel, åtminstone tillfälligt.

Om gammablixten uppstår på ett avstånd av ett par tusen ljusår, eller är lika kraftigt som det som Swiftsatelliten registrerade i januari 2019, kan det få allvarliga konsekvenser för livet.

För 444 miljoner år sedan drabbades jorden av den näst värsta biologiska kollapsen i planetens historia. Händelsen utplånade 49 till 60 procent av alla släkten och 85 procent av alla arter.

För 444 miljoner år sedan dog 85 procent av alla arter ut, troligen på grund av en gammablixt. Strålningen förstörde bland annat atmosfären, så att synligt ljus stängdes ute och skadlig UV-strålning kunde skaka planeten.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Gammablixt träffar planeten

En stjärna på cirka 10 000 ljusårs avstånd avger en gammablixt. Stark strålning träffar atmosfären och klyver ozon-, syre- och kvävemolekyler.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Smog stänger ute ljuset

Syre och kväve samlas till den ogenomskinliga och giftiga gasen kvävedioxid. Gasen stänger ute synligt ljus och lägger jorden i mörker.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

UV-strålning tränger in

Ozonlagret försvagas, vilket gör att dna-förstörande UV-strålning från solen kan tränga ner till marken och påverka organismer.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Djuren vid ytan ­betalar ett högt pris

Mörkret och den starka UV-strålningen dödar stora mängder havslevande djur vid ytan och på grunt vatten. Bland annat utplånas flera arter av trilobiter, ett leddjur som är släkt med gråsuggor.

Teorierna om orsaken till massutdöendet har varit många, allt från giftiga metaller som friges från havsbotten till en kraftig minskning av atmosfärens innehåll av växthusgaser.

År 2003 föreslog dock en grupp amerikanska astronomer att syndaren var en gammablixt cirka 10 000 ljusår bort. Enligt forskarna omvandlade gammastrålningen atmosfärens innehåll av syre- och kvävemolekyler till kväve-
dioxid, vilket skapar en olycklig treenighet av effekter på livet.

Blixten i sig förstör ozonlagret så att solens skadliga ultravioletta strålning når ner till jordytan, medan kvävedioxiden gör nederbörden sur och stänger ute solljuset, så att växter dör och temperaturen faller.

Samtliga tre effekter överensstämmer med förloppet för 444 miljoner år sedan.

Samtidigt har forskarna funnit avslöjande bevis i form av vilka arter som överlevde och vilka som inte gjorde det. En av jordens mest utbredda djurgrupper var trilobiterna, en grupp leddjur som är besläktade med dagens dolksvansar och gråsuggor.

Vid ett massutdöende överlever normalt de mest utbredda arterna, det vill säga arter med störst habitat, eftersom de är bättre rustade än arter med mindre livsutrymme.

För 444 miljoner år sedan försvann emellertid arter som levde på grunt vatten eller som ofta rörde sig nära havsytan, medan arter av trilobiter som befann sig på djupt vatten överlevde.

Trilobiter såg ut som väldiga gråsuggor. När en kraftig gammablixt drabbade ­jorden för 444 miljoner år sedan överlevde bara ­arter som levde långt ner i havet.

Det tyder på att just det utbredda livet nära ytan drabbades och fick dramatiskt förändrade livsvillkor till följd av gammastrålningen.

Nya teleskop mäter blå strålning

Trots att satelliter och teleskop i genomsnitt observerar en gammablixt om dagen upplever varje galax statistiskt sett bara några få gammablixtar under en miljon år.

Risken att jorden ska steriliseras inom den närmaste framtiden är försvinnande liten – men den finns. Därför letar forskarna nu i jordens galaktiska grannskap efter nästa stjärna som skulle kunna ge ifrån sig en gammablixt.

Det bästa – eller det sämsta – förslaget på en sådan stjärna hittade en grupp australiska och brittiska forskare år 2018, då de undersökte det mystiska stjärn­systemet Apep, som befinner sig cirka 8 000 ljusår från jorden.

Därmed befinner det sig inom det avstånd där en fullträff från en av de två konformiga dödsstrålarna skulle ställa till med stora problem för vår planet. Apep består av en dubbelstjärna med en tredje stjärna i omloppsbana.

Stjärnorna i dubbelstjärnan är så kallade Wolf-Rayet-stjärnor, en stjärntyp som uppstår under de sista 200 000 åren av en jättestjärnas liv. Runt dubbelstjärnan ligger ett töcken av utslungat material, vilket tyder på att minst en av dubbelstjärnans himlakroppar roterar extremt snabbt.

Enligt astronomerna är just denna typ av snabbt roterande stjärna den mest uppenbara kandidaten till långa gammablixtar.

Stark gammastrålning från en avlägsen gammablixt når inte ner genom jordens atmosfär. I stället omvandlas den till blåaktig tjerenkovstrålning som kan observeras med jordteleskop.

© ken ikeda madsen & Pachango

Strålning når atmosfären

Stark gammastrålning träffar luftpartiklar i ljusets hastighet. Kollisionen skapar en flyktig elektromagnetisk kaskad av blått ljus, så kallad tjerenkovstrålning, från cirka 20 000 meters höjd.

© ken ikeda madsen & Pachango

Kortlivad ljuskägla breder ut sig

Under några nanosekunder breder det blå ljuset ut sig i en kägla, som observeras av teleskop nere på marken. Teleskopen står samlade i grupper så att ljuset kan observeras ur olika vinklar.

© ken ikeda madsen & Pachango

Källan till gammablixten avslöjas

När astronomerna jämför resultat från flera teleskop får de fram riktningen till källan och kan studera resterna av gammablixten, efterglöden, i form av bland annat ljus och röntgenstrålning.

För att kunna lära sig mer om gammablixtarna behöver forskarna mer information. Under de senaste årtiondena har viktiga data kommit från satelliter som Swift och rymdteleskopet Fermi, men nu satsar astronomerna på jordbaserade observationer, i synnerhet i form av det multinationella projektet Cherenkov Telescope Array (CTA).

CTA utgörs av två stora samlingar av så kallade tjerenkovteleskop i Chile och på La Palma, en av Kanarieöarna utanför Afrikas västkust. Med tjerenkovteleskop kan forskarna registrera gammablixtar i universum.

När gammastrålningen träffar luftmolekyler i den övre atmosfären slås de sönder och skapar en skur av partiklar med mycket hög energi. Partiklarna registreras i form av blått ljus, så kallad tjerenkovstrålning, som strålar ner mot jordytan i en kägelform och avslöjar den ursprungliga gammakällans styrka och riktning.

Med sina hundratals mindre teleskop blir CTA tio gånger känsligare än tidigare jordbaserade gammaobservatorier.

De första prototyperna ska börja byggas på La Palma år 2022 och enligt planerna ska mätningarna vara uppe i full kapacitet år 2026.

Vid det laget kommer astronomerna att kunna lära sig ännu mer om ett av få fenomen i universum – som de dock inte vill komma närmare än absolut nödvändigt.