Waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hebben voor het eerst inzicht gegeven in de verdeling van het moleculaire gas en stof in de moederstelsels van gammaflitsen – de grootste explosies in het heelal. Verrassend genoeg is daarbij minder gas waargenomen dan verwacht en overeenkomstig meer stof. Dat maakt dat sommige gammaflitsen zich als 'donkere gammaflitsen' voordoen. De onderzoeksresultaten verschijnen op 12 juni 2014 in het tijdschrift Nature. Ze bewijzen dat ALMA heel geschikt is voor het onderzoeken van gammaflitsen.
Gammaflitsen zijn intense uitbarstingen van extreem hoge energie die in verre sterrenstelsels worden waargenomen. Ze vertegenwoordigen het meest explosieve verschijnsel in het heelal. Gammaflitsen die langer dan een paar seconden duren, de zogeheten lange gammaflitsen, houden verband met supernova-explosies – de krachtige ontploffingen die zware sterren aan het einde van hun leven ondergaan.
In luttele seconden komt bij zo’n uitbarsting evenveel energie vrij als de zon in haar tien miljard jaar durende leven zal produceren. Na de explosie gloeit zo’n gammaflits vaak nog lang na, een verschijnsel dat wordt toegeschreven aan botsingen tussen het uitgestoten materiaal en het gas in de omgeving.
Maar vreemd genoeg lijken sommige gammaflitsen geen nagloeiing te vertonen – deze worden donkere gammaflitsen genoemd. Een mogelijke verklaring is dat de nagloeiende straling door wolken stof wordt geabsorbeerd.
De afgelopen jaren hebben wetenschappers geprobeerd om het ontstaan van gammaflitsen beter te begrijpen door de stelsels waarin deze optreden onder de loep te nemen. Astronomen hadden verwacht dat de zware sterren die uiteindelijk met een gammaflits zouden eindigen te vinden zouden zijn in de actieve stervormingsgebieden van deze stelsels. Dat zou betekenen dat ze omgeven zijn door grote hoeveelheden moleculair gas – de grondstof voor stervorming. Er waren echter geen waarnemingen die deze theorie konden onderbouwen.
Met behulp van ALMA heeft een Japans team van astronomen, onder leiding van Bunyo Hatsukade van het National Astronomical Observatory of Japan, nu de radiostraling van moleculair gas in de moederstelsels van twee lange gammaflitsen waargenomen. De twee explosies, GRB 020819B en GRB 051022, speelden zich af op respectievelijk 4,3 miljard en 6,9 miljard lichtjaar van de aarde. Het is aan de ongekend hoge gevoeligheid van ALMA te danken dat deze radiostraling kon worden gedetecteerd: dat was nog nooit eerder gelukt.
Kotaro Kohno, hoogleraar aan de Universiteit van Tokio en lid van het onderzoeksteam, zegt: "We hebben meer dan tien jaar met diverse telescopen naar het moleculaire gas in de moederstelsels van gammaflitsen gezocht. Als beloning voor onze inspanningen hebben we dankzij ALMA eindelijk een opmerkelijke doorbraak bereikt. We zijn erg blij met dit resultaat."
Een ander opmerkelijk resultaat dat aan de grote beeldscherpte van ALMA te danken is, betreft de verdeling van moleculair gas en stof in de moederstelsels van gammaflitsen. Waarnemingen van GRB 020819B laten zien dat de buitengebieden van het moederstelsel opmerkelijk stofrijk zijn, terwijl moleculair gas vooral rond het centrum wordt aangetroffen. Het is voor het eerst dat een dergelijke verdeling in het moederstelsel van een gammaflits is waargenomen.
"We hadden niet verwacht dat gammaflitsen zouden optreden in zo’n stofrijke omgeving. Dat is een teken dat de gammaflits plaatsvond in een omgeving die heel anders is dan een doorsnee stervormingsgebied", aldus Hatsukade. Dat wijst erop dat de zware sterren die met een gammaflits eindigden de omgeving in hun stervormingsgebied al vóór hun explosie veranderden.
Het onderzoeksteam denkt dat het hoge aandeel stof op de plek van de gammaflits mogelijk is veroorzaakt doordat stof beter bestand is tegen ultraviolette straling dan moleculair gas. De bindingen tussen de atomen waaruit moleculen bestaan worden gemakkelijk verbroken door ultraviolette straling, waardoor moleculair gas dat wordt blootgesteld aan de sterke ultraviolette straling van de hete jonge sterren in een stervormingsgebied, waaronder de voorlopers van de waargenomen gammaflitsen, niet lang kan standhouden. Hoewel GRB 051.022 een soortgelijke verdeling lijkt te vertonen, kan dit door gebrek aan oplossend vermogen nog niet worden bevestigd (het moederstelsel van GRB 051.022 staat verder weg dan dat van GRB 020819B). Maar hoe dan ook: deze ALMA-waarnemingen steunen de hypothese dat het stof is dat de nagloeiende straling absorbeert en de oorzaak van de donkere gammaflitsen is.
"De resultaten die nu zijn verkregen, overtreffen onze verwachtingen. We moeten nog meer waarnemingen van andere gammaflits-moederstelsels doen om te zien of dit de normale omstandigheden zijn in de omgeving van een gammaflits. We kijken dan ook uit naar het toekomstige onderzoek met de volledige ALMA-array", zegt Hatsukade.
Meer informatie en afbeeldingen op de Nederlandstalige ESO-website.