Universums största explosioner

Gammablixtar är de mest energirika explosionerna i universum. De inträffar när massiva stjärnor i slutet av sina liv kollapsar till svarta hål. Utbrotten släpper lös lika mycket energi på några få sekunder som solen alstrar på en miljard år, och under ett ögonblick lyser de starkare än resten av universum sammantaget!

Som namnet anger sänds den mesta energin i dessa utbrott ut som gammastrålning – ljus med en våglängd mycket kortare än synligt ljus, till och med kortare än röntgenstrålning. Gammastrålning har energi nog att skada levande celler, men lyckligtvis skärmar jordens atmosfär av det mesta av den naturliga bakgrundsstrålningen i universum. Detta är också anledningen till att observationer av gammastrålning måste ske från rymden. Det dröjde därför ända till 1960-talet och rymdåldern innan gammablixtarna upptäcktes.

Vanligtvis utgör gammablixtar inte någon risk för livet på jorden, eftersom de inträffar så långt bort. Det genomsnittliga utbrottet sker ungefär 11 miljarder ljusår härifrån. De flesta gammablixtar inträffade, med andra ord, när universum bara var en femtedel så gammalt som nu.

Inga utbrott i Vintergatan

En gammablixt i vår egen galax Vintergatan skulle dock vara katastrofalt för livet på jorden. Tills nyligen har man trott att gammablixtar har inträffat någorlunda regelbundet i den geologiska historien och att de kan ha legat bakom de massutdöenden av livsformer på jorden som inträffat under den senaste årmiljarden. Inte minst har ett sådant utbrott misstänkts ligga bakom det ordoviciska utdöendet för 450 miljoner år sedan, då omkring hälften av djur- och växtarterna i haven försvann för gott.

Men aktuell forskning, delvis utförd av oss, visar att Vintergatan är en osannolik plats för gammablixtar. Sådana utbrott sker bara i galaxer som skiljer sig mycket från Vintergatan. Det är alltså inte troligt att utbrotten orsakat förödelse på jorden – eller kommer att göra det i framtiden.

Om det likväl skulle utlösas gammablixtar i vår egen galax skulle detta orsaka en kraftig ström av gammastrålning mot jorden. Även om atmosfären kan skärma av en del, skulle mycket av strålningen nå jordytan. Samtidigt skulle atmosfären skadas. Ozonlagret skulle förstöras, och reaktioner i de yttersta lagren av atmosfären skulle leda till något som liknar en så kallad atomvinter, som vissa forskare hävdar skulle bli följden av ett kärnvapenkrig.

En stjärnas liv

För att bedöma hur gammablixtar kan påverka jorden är det viktigt att förstå hur de uppstår, vilka sorts stjärnor som kan orsaka utbrott och hur vanliga sådana stjärnor är i galaxer som Vintergatan.

Stjärnor får sin energi från kärnfusion i stjärnans centrum, där lätta atomkärnor slås samman till tyngre. I de vanliga, lättare stjärnorna, som solen, slås väte samman och bildar helium. Tyngre stjärnor har en varmare kärna. Där sker fusionen snabbare, och dessutom kan tyngre ämnen skapas, till och med grundämnen så tunga som järn.

När stjärnor som är minst åtta gånger tyngre än solen får slut på bränsle, bildas en neutronstjärna eller ett svart hål samtidigt som en stark explosion – en supernova – inträffar. I vissa fall kan en supernova som resulterar i ett svart hål också ge upphov till gammablixtar. Supernovor är relativt vanliga och inträffar omkring vart hundrade år i vår galax. Gammablixtar är mycket mer sällsynta.

Ett sätt att studera skillnader och likheter mellan gammablixtar och supernovor är att titta på galaxerna där de inträffar. Även om de befinner sig ofattbart långt bort kan kraftfulla teleskop, som rymdteleskopet Hubble, fortfarande se dem.

Nyligen publicerade den ene av oss (Andrew Levan) just sådan forskning, med överraskande resultat. Eftersom gammablixtar och supernovor båda orsakas av tunga stjärnor som kollapsar skulle man förvänta sig att de uppstår i ungefär samma miljöer. Men så visade sig inte vara fallet – observationerna visade tydligt att gammablixtar är koncentrerade till de ljusaste delarna av galaxerna, medan supernovor är tämligen jämnt utspridda.

Dessutom förekommer gammablixtar och supernovor i olika typer av galaxer. Supernovor inträffar i stora spiralgalaxer, som Vintergatan (bild3). Gammablixtar sker mest i små oregelbundna galaxer som lyser svagare. Vad betyder dessa resultat, och hur påverkar de oss?

Vikten är viktig

Vi tre artikelförfattare publicerade nyligen forskning som visar att fördelningen av utbrotten kan förklaras genom stjärnornas vikt (numera oftast kallad massa).

Ljuset från en stjärna bestäms först och främst av stjärnans massa. De olika reaktionerna i stjärnorna gör att tyngre stjärnor producerar mycket mer ljus än lättare stjärnor. Sambandet är i princip kubiskt – en stjärna med åtta gånger så stor massa som solens producerar 512 (=85858) gånger så mycket ljus. Detta påverkar också en stjärnas livslängd – tunga stjärnor lever mycket kortare tid än sina lättare släktingar. De yngsta stjärnhoparna är därför också de ljusstarkaste.

För att en supernova ska uppstå krävs som sagt att stjärnans massa är minst åtta gånger större än solens. Men för att förklara att gammablixtar inträffar i de ljusaste delarna av galaxerna krävs långt tyngre stjärnor – kanske mer än trettio gånger så massiva som solen.

Den sista ledtråden för att förklara gammablixtarna kommer från strukturen hos galaxerna där utbrotten inträffar. Små galaxer är mindre kemiskt berikade än stora. Astronomerna brukar tala om metallicitet, det vill säga förhållandet mellan å ena sidan väte och å andra sidan alla andra grundämnen, som kol och syre. Exempelvis är vår granngalax Lilla magellanska molnet mörkare och mycket mindre än Vintergatan, och har också bara en tredjedel så hög metallicitet. Gammablixtar kommer främst från galaxer som liknar Lilla magellanska molnet, medan supernovor är vanligare i galaxer som Vintergatan.

Det här betyder att stjärnor som ger upphov till gammablixtar i allmänhet har färre tunga grundämnen än exempelvis solen. Anledningen till detta är inte helt klar ännu, men en möjlig förklaring är att tyngre grundämnen i en stjärnas atmosfär slungas iväg innan stjärnan exploderar i en supernova. Metallrika stjärnor blir då mindre massiva när de exploderar – och har större sannolikhet att lämna efter sig en neutronstjärna i stället för ett svart hål. Deras metallfattiga kusiner bildar däremot de svarta hål, som är nödvändiga för att gammablixtar ska inträffa.

Supernovor i Vintergatan

Supernovor i vår egen galax har observerats flera gånger genom historien, men aldrig några gammablixtar. Ett sådant utbrott skulle utrota många djur- och växtarter på vår planet, medan en supernova måste ske mycket närmare för att ha kännbar effekt – troligtvis inom 30000 ljusår. Så även om universums ljusstarkaste explosioner har lämnat jorden opåverkad, kan andra kosmiska fyrverkerier ha påverkat jordens historia – och komma att göra det i framtiden.