Donkere gammastraal burst GRB020819. Afbeelding tegoed: Keck. Klik om te vergroten.
Vrijwel alles wat we over het heelal weten, komt tot ons door middel van licht. In tegenstelling tot materie is licht bij uitstek geschikt om de grote afstanden door de ruimte naar onze instrumenten te reizen. De meeste astronomische verschijnselen zijn echter hardnekkig en herhaalbaar - we kunnen erop vertrouwen dat ze 'rondhangen' voor langdurige observatie of 'regelmatig terugkomen'. Maar dit is niet het geval voor gammastraaluitbarstingen (GRB's) - die mysterieuze kosmologische gebeurtenissen die fotonen (en subatomaire deeltjes) overladen met absurd hoge energieniveaus.
De eerste gedetecteerde hemelse GRB vond plaats tijdens de monitoring van het kernwapenverdrag in 1967. Die gebeurtenis vereiste jaren van analyse voordat de buitenaardse oorsprong ervan werd bevestigd. Na deze ontdekking werden primitieve triangulatiemethoden opgezet met behulp van detectoren op verschillende ruimtesondes binnen het Interplanetair Netwerk (IPN). Dergelijke methoden vereisten veel rekenwerk en maakten onmiddellijke follow-up met op aarde gebaseerde instrumenten onmogelijk. Ondanks de vertragingen zijn honderden gammastraalbronnen gecatalogiseerd. Tegenwoordig - zelfs via internet - zou het nog enkele dagen duren om te reageren met een IPN-achtige detectiebenadering.
Dit alles begon te veranderen in 1991 toen NASA het Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) in de ruimte plaatste met behulp van de spaceshuttle Atlantis als onderdeel van zijn "Great Observatories" -programma. Binnen vier maanden nadat de hemel was gescand, maakte CGRO astronomen duidelijk dat het universum bijna dagelijks sporadische en wijdverspreide gammastraalparoxysmen onderging - paroxysmen veroorzaakt door catastrofale gebeurtenissen die enorme hoeveelheden gamma- en andere hoogenergetische straling over de afgrond van ruimte-tijd.
Maar CGRO had één belangrijke beperking: hoewel het gammastralen kon detecteren en astronomen snel kon waarschuwen, was het niet bijzonder nauwkeurig waar dergelijke gebeurtenissen in de ruimte plaatsvonden. Vanwege deze grote 'foutcirkel' konden astronomen het zichtbare licht 'nagloeien' van dergelijke gebeurtenissen niet lokaliseren. Ondanks deze beperking ging CGRO door met het detecteren van honderden continue, periodieke en episodische gammastraalbronnen - waaronder supernovae, pulsars, zwarte gaten, quasars en zelfs de aarde zelf! Ondertussen ontdekte CGRO ook iets onverwachts - bepaalde pulsars fungeerden als smalbandige zenders van gammastralen zonder begeleidend zichtbaar licht - en daarin lag het eerste gevoel van "donkere" GRB's van astronomen.
Tegenwoordig weten we dat 'donkere pulsars' niet de enige 'donkere' bronnen van gammastraling in het heelal zijn. Astronomen hebben vastgesteld dat een klein deel van de episodische (eenmalige) GRB's ook weinig zichtbaar licht hebben, en ze willen - zoals iedereen die door het ongewone en onverklaarbare wordt gekieteld - weten waarom. GRB's zijn zelfs zo uniek dat liefhebbers vaak worden gehoord door te zeggen: "Als je één GRB hebt gezien, heb je één GRB gezien".
De eerste satelliet die de optische detectie van GRB-nagloeiingen vereenvoudigde, was BeppoSAX. BeppoSAX, halverwege de jaren negentig ontwikkeld door de Italiaanse ruimtevaartorganisatie, werd op 30 april 1996 vanaf Cape Canaveral gelanceerd en bleef tot 2002 röntgenemissiebronnen detecteren en lokaliseren. De foutcirkel van BeppoSax was klein genoeg om optische astronomen in staat te stellen snel veel GRB op te sporen nagloeien voor gedetailleerde studie in zichtbaar licht met behulp van op aarde gebaseerde instrumenten.
BeppoSAX kwam opnieuw de atmosfeer van de aarde binnen op 29 april 2003, maar tegen die tijd was de vervanging van NASA (HETE-2 de High Energy Transient Explorer-2) al enkele jaren op station in een lage baan om de aarde. Instrumenten op HETE-2 (de eerste incarnatie die HETE in 1996 niet losmaakte van de derde fase van zijn Pegasus-raket) breidden het bereik van röntgendetectie uit en zorgden voor nog strakkere foutcirkels - precies wat astronomen nodig hadden om hun responstijd te verbeteren in lokaliseren van GRB nagloed.
Twee jaar en een paar maanden later (maandag 19 augustus 2002) veroorzaakte HETE-2 de toeters en bellen omdat een sterke bron van gammastraling ergens nabij de kop van het sterrenbeeld Vissen de vissen werd waargenomen. Die gebeurtenis (aangeduid als GRB 020819) zorgde ervoor dat een reeks astronomische observatoria begon met het vastleggen van radiofrequentie-, nabij-infrarood- en zichtbare lichtfotonen in een poging om precies te bepalen waar de gebeurtenis plaatsvond en het fenomeen dat het aanstuurt te helpen begrijpen.
Volgens het artikel "The Radio Afterglow and Host Galaxy of the Dark GRB 020819", dat op 2 mei 2005 is gepubliceerd door een internationaal team van onderzoekers (waaronder Pall Jakobsson van het Niels Bohr Institute, Kopenhagen, Denemarken die dit artikel heeft proefgemaakt), binnen 4 uur na detectie de 1 meter Siding Spring Observatory (SSO) telescoop in Australië werd gedraaid naar een gebied van de ruimte kleiner dan 1/7 van de schijnbare diameter van de maan. 13 uur later, een tweede, iets groter instrument - de 1,5 meter lange P60-eenheid op Mt. Palomar - nam ook deel aan de achtervolging. Geen van beide instrumenten - ondanks het vangen van licht zo zwak als magnitude 22 - ving iets ongewoons op voor dat deel van de ruimte. Maar een groot en extreem fotogeniek 19,5 magnitude face-on balkspiraalstelsel viel mooi binnen het bereik van hun instrumenten.
Vijftien dagen later beeldde het 10 meter lange Keck ESI-instrument op Mauna Kea, Hawaï hetzelfde gebied af in blauw en rood licht tot magnitude 26,9. Op deze optische diepte kon een duidelijke "blob" van de 24ste magnitude (vermoedelijk een HII-stervormingsgebied) worden gezien, 3 boogseconden ten noorden van het spiraalstelsel. Een laatste poging om iets verder te detecteren werd op 1 januari 2003 gedaan - opnieuw met de Keck 10 meter. Er werd geen verandering gezien in optisch licht afkomstig van het gebied van GRB 020819. Dit alles bevestigde dat er geen zichtbare nagloeiing gepaard ging met de gammastraaluitbarsting gedetecteerd door HETE-2 ongeveer 134 dagen eerder. Het onderzoeksteam had hun "donkere gammastraalburster". Later zou de taak komen om erachter te komen wat het in hemelsnaam was - of in ieder geval niet was ...
Periodiek gedurende de gehele cyclus van optische en nabij-infraroodinspectie werd het gebied van de burst gemeten in radiogolffrequenties. Met behulp van de VLA (Very Large Array - bestaande uit 27 Y-geconfigureerde 25 meter schotels op vijftig mijl ten westen van Socorro, New Mexico) slaagde het team erin een slinkende spoor van 8,48 Ghz straling vast te leggen en de locatie ervan te identificeren.
De eerste radiogolven van GRB 020819 werden 1,75 dagen na het HETE-2-alarm verzameld. Op dag 157 was het rf-energieniveau afgevlakt tot het punt waarop de bron niet langer met vertrouwen te zien was. Maar tegen die tijd was de locatie ervan bepaald op de "blob", drie boogseconden ten noorden van de kern van het voorheen niet in kaart gebrachte spiraalstelsel. Helaas - vanwege zijn zwakte - kon de afstand tot de blob zelf niet spectrografisch worden bepaald - maar de melkweg bleek zo'n 6,2 BLY weg te liggen en geniet van "veel vertrouwen" in termen van een relatie met de bron.
Als resultaat van dergelijke onderzoeken leren astronomen nu steeds meer over een klasse van catastrofale gebeurtenissen die resulteren in enorme fluxen van fotonen met hoge en lage energie, terwijl de middenfrequenties - zoals ultraviolet, zichtbaar en bijna-infrarood van licht - bijna volledig worden overgeslagen. Is er iets dat dit zou kunnen verklaren?
Op basis van kennis van GRB 020819 onderzocht het team drie vuurbal-schokmodellen van hoe donkere GRB's zouden kunnen voorkomen. Van de drie (een gelijkmatige uitzetting van hoogenergetische gassen tot een homogeen medium, zelfs uitzetting tot een gelaagd medium, en een gecollimeerde straal die elk type medium doordringt), was de beste aanpassing tegen GRB 020819-gedrag die van een gelijkmatige uitzetting van hoogenergetische gassen in een homogeen medium van andere gassen (een model dat voor het eerst werd voorgesteld door de astrofysicus R. Sari et al. in 1998). De deugd van dit isotrope-expansiemodel is (in de woorden van het onderzoeksteam) dat 'slechts een bescheiden mate van uitsterving moet worden aangeroepen' om de afwezigheid van zichtbaar licht te verklaren.
Naast het verkleinen van het bereik van mogelijke scenario's in verband met donkere GRB's, concludeerde het team dat "GRB 020819, een relatief nabije burst, slechts een van de twee van de 14 GRB's is gelokaliseerd binnen (2 boogminuten gebruikend) HETE-2 dat wel geen gerapporteerde OA hebben. Dit ondersteunt de recente stelling dat de dark burst-fractie veel lager is dan eerder werd gesuggereerd, misschien wel 10%. ”
Geschreven door Jeff Barbour
