Swift skutt opp for å studere gammaglimt

Av Erik Tronstad

Delta 2-bæreraketten med Swift, i startøyeblikket. (NASA)

Delta 2-bæreraketten med Swift skal akkurat til å ta av fra opp­skyt­ings­platt­formen. (NASA)

Oppskytingen foregikk med en Delta 2-bærerakett fra plattform 17A ved Cape Canaveral Air Force Station i Florida, USA. Den startet klokken 18.16.00 norsk tid lørdag 20. november 2004. Etter vel 10 minutter var bærerakettens andre trinn og Swift oppe i en bane på 185,0 x 185,5 km og en inklinasjon på 28,47°.

Omtrent 16 minutter senere, vel 26 minutter etter starten fra bakken, ble det andre trinnet startet på nytt og brant i 32 sekunder. Det andre trinnet startet for tredje gang vel 1 time og 11 minutter etter starten fra bakken. Denne avfyringen ble en noe nervepirrende opplevelse for bakkekontrollen, da man ikke mottok noe telemetri fra trinnet. Først nesten seks minutter etter motorstart, mottok en bakkestasjon på Hawaii telemetri som viste at også den siste motoravfyringen hadde gått som planlagt.

Litt over 1 time og 20 minutter etter starten fra Cape Canaveral ble Swift koblet fra Delta-bærerakettens andre trinn. Satellitten var da i en nær sirkulær bane i 600 km over jordoverflaten og med en inklinasjon på 20,5°.

Med denne oppskytingen har Delta 2-bæreraketten vært brukt til 117 oppskytinger siden 1989. Av disse har 115 vært vellykkede. Forrige gang en Delta 2-bærerakett sviktet, var i 1997 (se Mislykket Delta/GPS-oppskyting i Smånytt om Romfart nummer 1, 1997). Siden den gang har det, inkludert lørdagens oppskyting, vært foretatt 62 vellykkede oppskytinger av Delta 2, uten at bæreraketten har sviktet.

Formålet med Swift er å observere gammaglimt eller gammastråleutbrudd, svært kortvarige hendelser. Et gammastråleutbrudd varer fra bare noen millisekunder (tusendels sekunder) til noen minutter, og opptrer aldri på nytt på nøyaktig samme sted på himmelen.

Mange gammaglimt har en «etterglød» av røntgenstråling, ultrafiolett stråling, synlig lys eller radiostråling. Ettergløden kan vare i alt fra noen timer til noen uker, og med ulik varighet på forskjellige bølgelengder.

NASAs Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) foretok i årene 1991-2000 den første kartleggingen av gammaglimt. Den viste at gammaglimt opptrer i like stor grad fra alle retninger på himmelen. Det betyr at kilden til utbruddene må ligge langt borte, langt utenfor vår galakse, Melkeveisystemet. Om kildene i hovedsak hadde ligget i Melkeveisystemet, ville de primært kommet fra det lysende båndet på himmelen som vi kaller Melkeveien.

Kart med foredelingen av 2704 gammaglimt, som ble observert i de ni årene CGRO gikk i bane. De er jevnt fordelt over hele himmelkulen. Ulike farger angir ulike energinivåer på gammastråleutbruddene. (NASA)

Siden kildene ligger langt borte, mange opptil flere milliarder lysår fra oss, må de skyldes enormt energirike prosesser. Faktisk er gammastråleutbrudd de mest voldsomme og energirike prosessene man overhodet kjenner til i dagens univers.

Med den italiensk-nederlandske satellitten BeppoSAX oppdaget man senere at det fra mange gammastråleutbrudd begynner å komme røntgenstråling flere timer etter gammastråleutbruddet. BeppoSAX greide å observere posisjonene til slike røntgenkilder med omtrent 50 ganger større nøyaktighet enn CGRO kunne. Posisjonene var nøyaktige nok til at andre instrumenter, som bakkebaserte teleskoper, kunne rettes mot motstykker til gammastrålekildene i synlig lys og radioområdet. Fra slike observasjoner har man lært at disse motstykkene til gammakildene har rødforskyvninger på fra omtrent 0,4 til 4,0. Det betyr at de ligger milliarder av lysår borte, og følgelig opptrådte tidlig i Universets historie.

Gammaglimt viser stor spredning, både når det gjelder intensitet og varighet. Grovt kan de likevel deles inn i to klasser etter varighet. «Korte» gammaglimt varer mindre enn to sekunder, tidvis mindre enn 0,1 sekund. «Lange» gammaglimt varer fra et par sekunder og til noen minutter.

Tegning som antyder hvordan et svart hull dannet i en hypernova kan ta seg ut. Langs det svarte hullets rotasjonsakse sendes det ut to intense partikkelstråler, opp mot venstre og ned mot høyre. (NASA)

Tegning av to nøytronstjerner, som kolliderer og smelter sammen etter lenge å ha gått i baner rundt hverandre. Også her oppstår to intense partikkelstråler, opp mot venstre og ned mot høyre. (NASA)

Forskerne er ganske sikre på at «lange» gammastråleutbrudd kommer fra voldsomme stjerneeksplosjoner, en type særlig kraftige supernovaer, som også betegnes som hypernovaer. En hypernova opptrer når kjernen i en hurtig roterende stjerne med stor masse kollapser og danner et svart hull.

Man er mindre sikre på hva som forårsaker «korte» gammaglimt. En teori er at disse oppstår når to nøytronstjerner, som går i baner rundt hverandre, kolliderer. Når de to går i baner rundt hverandre, sender de ut gravitasjonsstråling. Det fører til et energitap fra systemet, som gjør at at de to nøytronstjernene stadig kommer nærmere og nærmere hverandre. Til slutt vil de nærmest kollidere og smelte sammen til et svart hull. I den voldsomme prosessen det er, spekulerer man på at det oppstår intense utbrudd av gammastråling.

Felles for begge disse mekanismene er at gammastrålingen blir sendt ut langs en smal sone vinkelrett på det svarte hullets rotasjonsretning. Fra det svarte hullets poler vil det langs rotasjonsaksene bli akselerert opp partikler til hastigheter på 99,99 % av lyshastigheten i vakuum. Man antar at turbulens i denne partikkelstrålingen kan være kilde til gammastråling. Ettergløden - av røntgenstråling, ultrafiolett stråling, synlig lys og radiostråling - oppstår når partikkelstrålen kolliderer med gass i det interstellare mediet rundt det nydannede svarte hullet.

Strålingen vil altså bli sendt ut i en smal sone rundt rotasjonsaksen, opp fra det svarte hullets nordpol og sydpol. Denne sonen har en diameter på bare noen få grader. For at vi skal se et gammaglimt, må ifølge denne hypotesen det svarte hullets rotasjonsakse være rettet omtrent rett mot oss her på Jorden. De aller fleste gammaglimt i Universet vil vi aldri se, fordi de ikke er rettet mot oss. Kanskje ser vi bare ett av 500, eller færre enn ett av 10 000, gammaglimt. De andre er rettet i helt andre retninger

I dag er det som er skrevet ovenfor, bare mer eller mindre sikre hypoteser og teorier. Med Swifts observasjoner håper man å få dypere og bedre innsikt i hvilke mekanismer som kan ligge bak de voldsomme gammastråleutbruddene. Mer konkret har man følgende målsettinger med Swift:

• Fastslå hva som er kilden til gammastråleutbrudd
• Klassifisiere gammaglimt og lete etter eventuelle nye typer av dem
• Bestemme hvordan eksplosjonsbølgen utvikler seg, vekselvirker med og påvirker omgivelsene
• Bruke gammaglimt til studier av Universets tidlige historie
• Foreta den første kartleggingen av "hard" røntgenstråling fra hele himmelen

Swift har tre instrumenter, som sammen observerer over store deler av gammaområdet, røntgenområdet, det ultrafiolette området og i synlig lys.

Ved Kennedy-romsenteret klargjøres Swift for oppskyting. (NASA)

I gammaområdet skal Burst Alert Telescope (BAT) overvåke store deler av himmelen, på utkikk etter gammaglimt. Årlig forventes instrumentet å «se» 100-150 gammaglimt.

Med en gang teleskopet «ser» et gammaglimt, vil instrumentet beregne dets posisjon på himmelen. I løpet av 20-75 sekunder etter at gammaglimtet ble registrert, vil Swift dreie seg slik at også satellittens to andre instrumenter rettes mot den beregnede posisjonen.

Samtidig sendes et «alarmsignal» om gammaglimtet til bakken. Alarmsignalet formidles automatisk til et nettverk av observatorier. På kort tid kan derfor mange andre instrumenter, både på bakken og i jordbane, rettes mot posisjonen på himmelen der Swift så gammaglimtet. Slik håper man raskt å kunne observere kilden på mange andre bølgelengder, for å finne ut mer om hva slags objekt som har forårsaket gammaglimtet.

BAT skal også observere «hard» (kortbølget) røntgenstråling. Når BAT ikke er opptatt med å observere et gammaglimt, skal instrumentet kartlegge hele himmelkulen i den kortbølgede delen av røntgenområdet. I løpet av Swifts levetid kommer BAT til å bygge opp et røntgenkart over himmelen som er 20 ganger bedre enn det forrige røntgenkartet, som ble laget i 1970-årene.

Swifts andre instrument er et røntgenteleskop. Det skal ta bilder av «ettergløden» av røntgenstråling fra et gammastråleutbrudd. Ut fra disse bildene kan posisjonen til et gammaglimt bestemmes med større nøyaktighet enn BAT alene greier. Røntgenteleskopet vil også gjøre spektralobservasjoner. Fra dem vil man kunne si noe om hvilke grunnstoffer som er involvert i kildeobjektet til gammastråleutbruddet.

Det tredje instrumentet i Swift er et teleskop som observerer i den ultrafiolette og synlige delen av spekteret. Bilder fra dette vil ytterligere bidra til å gi en bedre posisjon for selve gammaglimtet. Dessuten kan observasjoner fra dette instrumentet gi data om avstanden til kilden for gammastråleutbruddet.

Swift (foran) tegnet med kilden til et gammastråleutbrudd bak. (NASA)