Rymdens magnetiska fyrar

I mellandagarna för ett år sedan, den 27 december 2004 klockan 22.30, träffades satelliten Integral av en intensiv skur av mycket energirik strålning, så kallad gammastrålning.

Även ett dussin andra satelliter runt jorden uppmätte samma korta skur. I de allra flesta fall slog strålningsmätarna i taket. När duschen av gammastrålar träffade jorden var den så intensiv att den märkbart påverkade vår atmosfär.

Från andra sidan vår galax

Visserligen utsätts jorden då och då för liknande attacker från vår egen sol, som i samband med solstormar skickar ut gammastrålar och laddade partiklar. Gammastrålning har kortare våglängd än röntgenstrålning och utgörs av fotoner. De laddade partiklarna från solen tränger ofta in i jordens atmosfär och ger då upphov till spektakulära norrsken. Mer sällan ställer solens skurar till problem för satelliter och elanläggningar.

Men gammastrålningen som anlände till jorden i december förra året kom inte från solen, utan från en källa flera miljarder gånger längre bort – från andra sidan vår galax, Vintergatan. Det som orsakade skuren måste uppenbarligen ha varit bra mycket kraftfullare än en solstorm.

Strålningsduschen kom från den här artikelns huvudperson: SGR 1806-20, en supermagnetisk stjärna med en tendens att få utbrott. Under den första bråkdelen av en sekund av utbrottet strålade SGR 1806-20 ut lika mycket energi som solen avger på 250 000 år.

Skuren den 27 december var den i särklass starkaste gammastrålningspuls från en källa utanför solsystemet som uppmätts på jorden. Att så avlägsna utbrott över huvud taget kan påverka vår atmosfär är mycket sällsynt. Men astronomerna som fick skynda tillbaka till sina arbeten efter förra julhelgen stod inte svarslösa. Vi hade nämligen sett liknande fenomen tidigare. Dessutom fanns en huvudmisstänkt. SGR 1806-20 var redan känd i våra register som en återkommande källa för röntgenstrålning.

Ledtrådarna pekade mot grannen

Historien om dessa superutbrott börjar egentligen 25 år tidigare. Två sovjetiska rymdsonder i serien Venera, vars syfte var att utforska planeten Venus, råkade den 5 mars 1979 klockan 16.51 ut för en obehaglig gammadusch. Elva sekunder senare utsattes Helios-2, en satellit i bana kring solen, för samma behandling. Även den gången trycktes strålningsmätarna i taket hos de satelliter som fångade den korta, intensiva pulsen.

Till en början hade astronomerna inte en blekaste aning om vad det handlade om. Visserligen var de bekanta med de vanliga gammablixtarna som glimrade till från olika ställen på himlen. Men superutbrottet 1979 var av en helt annan kaliber.

Genom att ta reda på exakt när de olika satelliterna hade fångat utbrottet kunde man lista ut var på himlen dess källa låg. De satelliter som befann sig närmast vår satellitgalax Stora magellanska molnet hade blivit bestrålade först. Med en noggrann beräkning kom man så småningom fram till att utbrottet kom från en supernovarest i Magellanska molnet.

Det var en utmärkt ledtråd. Innerst inne i en supernovarest hittar man nämligen ofta en pulsar. Fast det här handlade uppenbarligen inte om någon vanlig pulsar.

Pulsarer vet vi numera ganska mycket om. Vi känner till över tusen pulsarer i vår galax. De upptäcktes av en slump och med stor dramatik för knappt 40 år sedan. De korta och mycket regelbundna radiopulserna, som har gett dessa objekt deras namn, fick i förstone astronomerna att spekulera om att signalerna kom från små gröna män.

Snart förstod man dock att det måste handla om ett mycket snabbt roterande, kompakt objekt. Mycket snabbt, eftersom pulserna kom flera gånger i sekunden. Kompakt, eftersom pulserna var mycket regelbundna. Pulsarer är universums bästa klockor, och bara mycket stabila himlakroppar kan tänkas snurra så regelbundet. Det fanns faktiskt bara en rimlig kandidat – en neutronstjärna.

Tesked tung som ett berg

Neutronstjärnornas eventuella existens hade föreslagits redan år 1934. Det var bara två år efter upptäckten av neutronen, den elektriskt neutrala partikeln i atomkärnorna. Två banbrytande astronomer verksamma i USA, schweizaren Fritz Zwicky och tysken Walter Baade, föreslog då helt djärvt att de supernovautbrott som de hade observerat härrörde från massiva stjärnor som exploderar när deras inre kollapsar till en neutronstjärna. Deras spekulativa hypotes visade sig vara riktig. Mitt eget favoritexempel på denna koppling är krabbpulsaren (se Krabbnebulosan genomlyst, F&F 1/01).

Krabbpulsaren är en neutronstjärna som roterar 30 gånger varje sekund och ligger i centrum av supernovaresten Krabbnebulosan – kvarlevorna av den stjärna som kinesiska astronomer såg explodera år 1054.

Neutronstjärnor som krabbpulsaren är märkliga objekt. De är i princip gigantiska atomkärnor, kilometerstora klot som nästan uteslutande består av neutroner. En neutronstjärna innehåller ungefär lika mycket materia som hela vår sol, men är så komprimerad att den inte är större än en medelstor svensk stad. Att försöka lyfta en enda tesked full med neutronstjärnsmateria skulle vara som att försöka flytta ett berg här på jorden.

Mest extrema stjärnor

Inuti en neutronstjärna är förhållandena extrema. De är därför många fysikers favoritobjekt – där kan de spekulera om supraflytande och supraledande supertät materia. Utsidan av en neutronstjärna domineras oftast av ett oerhört starkt magnetfält.

En pulsar som krabbpulsaren har ett magnetfält som är tusen miljarder gånger starkare än jordens. Det innebär att det är de elektromagnetiska krafterna som härskar på stjärnans yta. Visserligen är gravitationskraften så stark att en människa omedelbart skulle pressas samman till en tunnpannkaka om hon vore dum nog att ställa sig där. Men trots detta kan de starka elektromagnetiska krafterna rycka loss laddade partiklar från stjärnan.

När dessa partiklar sedan virvlar runt magnetfältet med hastigheter nära ljusets hastighet sänder de ut strålning – radiostrålning, vanligt ljus och röntgenstrålning. Vi kan se en kort ljuspuls när en av neutronstjärnans magnetiska poler riktas mot oss. Neutronstjärnans snabba rotation gör sedan att ljuspulsen regelbundet sveper förbi oss. Pulsaren fungerar alltså som en kosmisk fyr.

Upptäckten av pulsarerna var det första beviset för att neutronstjärnor faktiskt existerar. I dag vet vi att neutronstjärnorna bidrar till fler intressanta fenomen i universum. De mest energirika formerna av strålning som de sänder ut, röntgenstrålning och gammastrålning, tränger inte ner genom vår atmosfär. Det ska vi i och för sig vara glada för, eftersom den sortens strålning är skadlig för levande organismer. Men för astronomerna innebar det att de fick vänta tills i början av 1960-talet, då de första satellitburna instrumenten utvecklades. Först då kunde de börja undersöka universum i röntgenljus. Nobelpriset år 2002 gick till italienaren Riccardo Giacconi just för hans pionjärarbete med att avbilda röntgenuniversum.

Dramatik i röntgenbelysning

Detta universum i röntgenljus visade sig vara tämligen olikt det universum som framträder i vanligt ljus. I synligt ljus domineras vår Vintergata av stora ljusstarka stjärnor – storasystrarna till vår egen sol. Men de är inte tillräckligt heta för att stråla särskilt mycket i röntgenljus, och definitivt inte i gammastrålning. De källor som dominerar i röntgenljus är i stället de kompakta objekten: vita dvärgar, neutronstjärnor och svarta hål.

Den allra första röntgenkällan som Giacconi upptäckte utanför solsystemet, Scorpius-X1 i Skorpionens stjärnbild, är just en neutronstjärna. Sådana kompakta objekt har kraftiga och koncentrerade gravitationsfält. Inte sällan utgör de den ena partnern i en dubbelstjärna där materia från kompanjonstjärnan faller ner på neutronstjärnan med väldig fart. Det gör att ytan hettas upp till mycket höga temperaturer och strålar i röntgenljus.

Om man studerar stjärnhimlen med röntgensyn får man alltså se ett mycket mer dramatiskt universum än den fridfullt lysande natthimlen vi skådar i synligt ljus. Röntgenastronomernas studier av högenergetiska processer har uppdagat ett menageri av neutronstjärnor och svarta hål. De kraftfullaste återkommande utbrotten kommer från röntgenstjärnor i Vintergatan som avger korta pulser av röntgenstrålning under sporadiska perioder av ökad aktivitet. Sådana källor kallas SGR (soft gamma repeaters, mjuka gammastrålningsrepeterare), och i dag tror vi att de är så kallade magnetarer.

Sällsynta i Vintergatan

Den första SGR hittades i januari 1979. Det var just SGR 1806-20, där siffrorna anger var på stjärnhimlen himlakroppen finns – en plats i Skyttens stjärnbild på södra stjärnhimlen som inte är synlig från Sveriges breddgrader. Magnetaren ligger i riktning mot Vintergatans centrum, men sannolikt på andra sidan galaxen. SGR 1806-20 var ganska aktiv under 1980-talet. Man kunde mäta över hundra små skälvningar från denna magnetar.

Men dess popularitet blev kort. Den överglänstes nämligen snart av den SGR i granngalaxen Magellanska molnet som hade ett superutbrott den 7 mars samma år.

I dag finns det fem kända SGR inuti eller nära vår galax. De uppvisar återkommande perioder av ökad aktivitet, och det är vad som skiljer dem från gammablixtarna – som har mer karaktär av ödesmättade engångsexplosioner.

År 1998 lyckades den amerikanska astronomen Chryssa Kouveliotou och hennes kolleger visa att SGR 1806-20 är periodisk. Röntgenljuset blinkar lite starkare var 7,86:e sekund. Detta måste vara neutronstjärnans rotationsperiod. De upptäckte även att rotationen långsamt saktar ner, även om inbromsningen sker med bara 0,26 sekunder per århundrade. Att neutronstjärnan saktar ner beror på dess magnetfält, och observationerna ledde därför till att man kunde räkna ut magnetfältets styrka. Den visade sig vara tusen gånger starkare än vad man tidigare hade mätt hos vanliga pulsarer. SGR 1806-20 är alltså en magnetar, universums mest magnetiska objekt.

Häftigt men kortlivat

Teorin om magnetarer utvecklades på 1990-talet. Ett par amerikanska astronomer, Robert Duncan och Christopher Thompson, funderade över vad som kunde hända om en pulsar föddes med mycket snabb rotation. Beräkningar visade att en nyfödd neutronstjärna är så het att dess inre är flytande och bubblande.

I likhet med hur solen skapar sitt magnetfält – genom växelverkan mellan ett roterande magnetfält och ett kokande inre, i den så kallade dynamoeffekten – insåg Duncan och Thompson att en pulsar med rätt förutsättningar skulle kunna skapa ett ultrastarkt magnetfält. Den skulle bli en magnetar. Kouveliotous observationer av SGR 1806-20 och dess starka magnetfält bekräftade alltså denna magnetarteori.

Enligt teorierna kommer vanliga atomer i magnetarernas magnetfält att tänjas ut till långa nålar. Ljus skulle också påverkas av fältet och uppföra sig annorlunda. Magnetfältet kan till och med rumstera om med den kompakta ytan. Precis som det i jordskorpan byggs upp spänningar mellan kontinentalplattorna kan man förstå att magnetfältets runtsläpande av neutronstjärnans ytskikt skapar spänningar. Dessa ger emellanåt upphov till stjärnbävningar på magnetarens yta.

Riktigt stora supereruptioner kan bero på att stora ytbävningar lösgör spänningar också i det kraftiga magnetfältet. Detaljerade teorier om magnetfält är alltid mycket komplicerade, men det verkar klart att det finns tillräckligt med energi i en sådan magnetisk stjärnbävning för att ge upphov till det gammastrålningsutbrott som vi observerade från SGR 1806-20 den 27 december 2004.

Men magnetarfasen i en neutronstjärnas liv är sannolikt relativt kort. Det kraftiga magnetfältet gör att stjärnan snabbt saktar ner och fältet försvagas. Troligen lever magnetaren bara i 10 000 år, en mycket kort stund på den kosmiska tidsskalan. Vad som sedan återstår är en mindre aktiv neutronstjärna. Sådana finns det säkerligen mycket gott om, även om vi inte kan observera dem.

Aldrig två gånger på samma plats

Det som gjorde astronomerna extra intresserade av det mycket kraftfulla utbrottet den 27 december 2004 var att det kanske kunde hjälpa till att lösa en annan av de många obesvarade frågorna inom astronomin – den om de korta gammablixtarna.

Gammablixtarna upptäcktes av amerikanska spionsatelliter redan på 1960-talet. Varje dag under någon kort sekund glimmar det till av gammastrålar från rymden. Gammablixtar skiljer sig dock från andra gammastrålningskällor. I likhet med blixtnedslagen på jorden kommer gammablixtarna aldrig två gånger från samma plats.

Det var först år 1997 som man förstod att gammablixtarna härrör från mycket avlägsna platser i universum och därför måste vara ofantligt energirika. För tre år sedan lyckades jag och mina kolleger observera en relativt närliggande gammablixt, och vi kunde visa att den faktiskt hörde samman med ett supernovautbrott.

De två kraftfullaste explosionerna i universum, supernovor och gammablixtar, hör alltså samman. Därmed var en del av gåtan löst – men bara en del. Kopplingen till supernovor gäller bara för de långa gammablixtarna, de som lyser längre än 2 sekunder. Bakom de korta blixtarna, de som glimmar till under bråkdelen av en sekund, skulle kunna ligga något annat.

Löste inte gåtan

De flesta vetenskapliga artiklar om SGR 1806-20-utbrottet spekulerade därför om att liknande superutbrott hos magnetarer i närliggande galaxer skulle kunna vara orsaken till de korta gammablixtarna. Det var en spännande tanke. Men även om några gammablixtar skulle kunna vara sådana superutbrott vet vi nu att de korta gammablixtarna kommer från mycket större avstånd.

I somras lyckades nämligen mina kolleger och jag för första gången lokalisera några korta gammablixtar och kunde visa att de verkligen är avlägsna kosmiska explosioner. Det rör sig alltså inte om magnetarer eller om något annat i eller nära vår galax. I stället handlar det sannolikt återigen om neutronstjärnor, men den här gången kan det vara två neutronstjärnor som kolliderar och fullständigt förintar varandra i en gigantisk explosion. Där ligger till och med magnetarerna i lä.