Als onze ogen geschikt waren om gammastraling te zien, zouden we ongeveer twee keer per dag bijna verblind worden door een heldere flits, helderder dan enige andere bron aan de hemel. In deze uitbarstingen van gammastraling, die door astronomen 'gamma-ray bursts' (GRB's) worden genoemd, wordt in een aantal minuten meer energie uitgestraald dan de Zon in haar hele levensloop van tien miljard jaar zal doen.
Gammastraling is de meest energierijke straling uit het elektromagnetisch spectrum. Zo heeft gammastraling een energie van tienduizend tot zelfs miljoenen malen de energie van zichtbaar licht. Gamma-ray bursts, in het Nederlands bekend als 'gammaflitsen', zijn daarmee de meest energetische gebeurtenissen in ons heelal sinds de Big-Bang. Deze gebeurtenissen duren tussen de 30 milliseconden en de 1 000 seconden. Tijdens de 'flits' is de uitstoot aan energie vele honderden malen meer dan de straling afkomstig van een supernova-uitbarsting. Een gammaflits zendt bijna al zijn energie uit in gammastraling en energieke röntgenstraling en zijn de meest extreme explosies die in het heelal voorkomen. Gammaflitsen zijn dan ook zeer gevaarlijk voor het leven op Aarde aangezien een dergelijke extreme explosie in de buurt van onze planeet onze beschermende ozonlaag kan vernietigen. In 2014 berekende onderzoekers dat een ster met bijhorende planeten zich minstens 30 000 lichtjaar van het centrum van de Melkweg moet bevinden indien deze wil veilig zijn voor gammaflitsen. De kans op gammaflitsen zijn dan ook het grootst in het centrum van de Melkweg aangezien zich hier meer dan een kwart van alle sterren uit ons sterrenstelsel zich bevinden. De reden waarom astronomen gammaflitsen kunnen detecteren en waarnemen is omdat deze twee smalle bundels straling uitzenden waarvan toevallig één naar de Aarde is gericht. Dit wil dus zeggen dat er in het heelal veel meer soortgelijke gebeurtenissen plaatsvinden die we niet waarnemen aangezien geen van beide bundels naar de Aarde is gericht. Doordat de atmosfeer van de Aarde gammastraling uit de ruimte absorbeert, gebruiken astronomen satellieten in de ruimte om gammaflitsen te onderzoeken.
Oorsprong
Over de oorsprong van gammaflitsen bestaan al vele jaren discussies. Zo was het herkomst van deze gebeurtenissen tot 2003 een groot mysterie in de sterrenkunde. De eerste dergelijke flitsen werden eind de jaren '60 waargenomen door militaire Vela spionagesatellieten die in de ruimte werden gebracht om kernexplosies op Aarde waar te nemen waar gammastraling bij vrij kwam. Dankzij deze satellieten ontdekte men uiteindelijk dat er uit het heelal ook gammastraling komt die vele malen heviger was dan de straling die vrijkwam bij een kernexplosie. Nadat onderzoekers in de jaren '70 met telescopen op Aarde geen gammaflitsen konden detecteren, lukte dit in de jaren '90 met het Compton Gamma Ray Observatory wel. Deze ruimtetelescoop werd uitgerust met het Burst & Transient Source Experiment (BATSE) dat de locatie van de gamma-uitbarstingen aan de hemel met een precisie van een paar graden kon bepalen. Elke dag detecteerde het BATSE-instrument uiteindelijk twee tot drie gammaflitsen waarna enkele seconden later de benaderde positie en sterkte van de flits werd doorgegeven aan wetenschappers over de hele wereld. Uit deze gegevens bleek dat deze uitbarstingen willekeurig over de hele hemel voorkwamen en er twee soorten van gammaflitsen bestaan, korte en langdurige. Uiteindelijk zijn er in de negen jaar dat BATSE operationeel is geweest, ongeveer 8 000 gamma-ray bursts waargenomen waarvan ongeveer vijftien een lang genoeg durende optische nagloed hadden om een roodverschuiving te bepalen. Meer dan honderd theorieën over hoe deze flitsen ontstaan, werden doorheen de jaren bedacht maar uiteindelijk raakten veel astronomen en andere onderzoekers het de laatste jaren toch eens over een verklaarbare theorie. Zo zouden de korte gammaflitsen, die korten zijn dan twee seconden, ontstaan door samensmelting van twee neutronensterren of een neutronenster met een zwart gat. De langdurige gammaflitsen, die langer dan twee seconden duren, zouden veroorzaakt worden door de ineenstorting van een zware ster. In beide gevallen is het eindresultaat een zwart gat en gloeien gammaflitsen na in zowel röntgenstraling alsook in zichtbaar licht en radiostraling.
De locatie aan de hemel van de vele gammaflitsen die door het BATSE-instrument werden gedetecteerd.
Expansie van het heelal
De uniforme verdeling van gamma-ray bursts is een aanwijzing dat deze op zeer grote afstanden plaatsvinden, op zo’n 3 tot 10 miljard lichtjaar van ons vandaan. Het licht van sterrenstelsels op zulke grote afstanden laat duidelijk de expansie van het heelal zien. Door de hoge snelheid waarmee deze stelsels zich van ons af bewegen, worden emmissie- en absorptielijnen van specifieke elementen verschoven naar lagere, or rodere frequenties. Een dergelijke roodverschuiving kan echter vaak niet gemeten worden van gamma-ray bursts, aangezien deze meestal een glad spectrum hebben zonder lijnen. Toch zijn in statistische analyses van de waargenomen bursts al vrij snel tijd-vertraging en roodverschuiving gevonden. De eerste succesvolle waarneming van een gamma-ray burst over het gehele electromagnetische spectrum werd gedaan op 28 februari 1997. Eerst werd deze gedurende tachtig seconden waargenomen door de Nederlands-Italiaanse BeppoSAX satelliet die de positie van de flits bepaalde tot op een paar boogminuten nauwkeurig in het sterrenbeeld Orion, halverwege tussen Alpha Tauri en Gamma Orionis. Binnen acht uur daarna was vanuit het controlecentrum te Rome de satelliet gekeerd, zodat ook met de röntgentelescoop bij lagere frequentie gekeken kon worden. Hiermee werd een snel uitdovende röntgenbron gevonden en tot op een boogminuut nauwkeurig de positie bepaald. Hierdoor konden ook krachtige optische telescopen gebruikt worden die maar een heel klein stukje hemel per keer kunnen waarnemen.
De Nederlandse onderzoeker Paul Groot, op dat moment werkzaam in een internationaal team van de universiteiten van Leiden en Alabama, had op dat moment waarneemtijd beschikbaar op de 4,2 meter-Herschel Telesope op La Palma, en nam het besluit om af te zien van de oorspronkelijk geplande waarnemingen en de telescoop op de gamma-bron te richten. Binnen 21 uur na de flits was een foto gemaakt van dezelfde locatie waarop duidelijk de optische bron te zien was. Op latere waarnemingen met de Herschel en de 2,5 meter Isaac Newton telescoop was duidelijk te zien hoe de bron ook in het optische licht uitdooft. Acht dagen later was deze volledig verdwenen. Op 13 maart werd tenslotte nog eens naar dezelfde plek gekeken met een telescoop in Chili en werd een diffuse gloed waargenomen. Foto’s van de Hubble Space Telescope waren gedetailleerd genoeg om hier een puntbron te ontdekken met een langgerekte structuur eromheen. Dit deed voor het eerst vermoeden dat de GRB in een sterrenstelsel aan de rand van ons universum had plaatsgevonden.
