AT 2020afjz (TSS2020a): The First Fast Extragalactic Transient Discovered by TESS

Het universum is gevuld met kosmische explosies die plaatsvinden in de oogwenk, maar decennialang waren onze telescopen te traag om ze op heterdaad te betrappen. Hoewel astronomen al lang supernovae en andere stellaire sterfgevallen bestuderen die zich over dagen of weken ontvouwen, zijn de snelste gebeurtenissen—die in slechts enkele uren oplichten en weer vervagen—grotendeels onzichtbaar gebleven. Deze vluchtige momenten worden aangedreven door extreme fysica, vaak waarbij jets van materie bewegen met bijna de snelheid van het licht, maar zonder een telescoop die de hemel continu kan observeren en zeer snel foto's kan maken, glippen deze gebeurtenissen ongemerkt voorbij. De uitdaging is geweest om een manier te vinden om deze urenlange flitsen op te merken voordat ze verdwijnen, een taak die een unieke combinatie vereist van een breed gezichtsveld en snelle aandacht.

Een team van astronomen heeft nu een van deze ongrijpbare gebeurtenissen vastgelegd, wat een belangrijke verschuiving markeert in hoe we het heelal observeren. Met behulp van gegevens van de Transiting Exoplanet Survey Satellite, bekend als TESS, ontdekten onderzoekers een heldere lichtflits in een verre sterrenstelsel die verscheen, piekte en volledig vervaagde binnen een enkele nacht. Deze gebeurtenis, aangeduid als AT 2020afjz, is de eerste keer dat een dergelijke snelle, extragalactische explosie is ontdekt zonder voorafgaande waarschuwing van een gammastralingsdetector. In plaats van te wachten tot een satelliet een melding geeft, gebruikte het team een nieuwe softwarepipeline om de TESS-gegevens te doorzoeken en de flits op eigen kracht te vinden. Het resultaat is een gedetailleerd verslag van een explosie die slechts ongeveer tweeënhalf uur op haar helderst was, wat een zeldzame, hoogresolutie blik biedt op de geboorte en dood van een relativistische jet.

De ontdekking begon in november zig 2020, toen de TESS-satelliet een deel van de hemel in het zuidelijk halfrond scande. TESS is ontworpen om naar planeten te zoeken door sterren te observeren op kleine dipjes in helderheid, maar de camera's zijn ook in staat om plotselinge helderheden op te vangen. De onderzoekers ontwikkelden een systeem om de full-frame beelden van de satelliet te verwerken, zoekend naar alles wat snel veranderde. Ze vonden een bron die in ongeveer een uur naar zijn piekhelderheid steeg en daarna wegviel, waarbij hij ongeveer tien uur zichtbaar bleef voordat hij verdween in de achtergrond. De lichtcurve, die de helderheid in de loop van de tijd volgt, vertoonde een langzame stijging en een snelle daling, een patroon dat verschilt van het typische gedrag van de meeste bekende kosmische explosies.

Om te begrijpen wat deze flits veroorzaakte, moest het team eerst de locatie ervan opsporen. Door de positie van de flits te vergelijken met diepe beelden van andere telescopen, bepaalden zij de oorsprong in een zwak, ver sterrenstelsel. Dit sterrenstelsel maakt deel uit van een paar interagerende sterrenstelsels, wat betekent dat de twee dicht genoeg bij elkaar staan om aan elkaars zwaartekracht te trekken. De flits vond plaats nabij een van deze sterrenstelsels, dat een klein, stervormend systeem lijkt te zijn. De afstand tot dit sterrenstelsel is enorm; het licht dat we zien, verliet het toen het universum veel jonger was, wat ruwweg overeenkomt met een roodverschuiving van 0,67. Het feit dat de gebeurtenis plaatsvond in een sterrenstelsel waar nog steeds sterren worden geboren, ondersteunt het idee dat het werd veroorzaakt door de dood van een massieve ster, een scenario dat vaak leidt tot krachtige jets van energie.

De aard van de explosie zelf blijft een raadsel met twee mogelijke oplossingen, die beide even goed bij de gegevens passen. De onderzoekers modelleerden de lichtcurve met de fysica die beschrijft hoe jets van materie interageren met de ruimte om hen heen. Ze kwamen tot de conclusie dat de gebeurtenis op één van twee manieren verklaard kan worden. De eerste mogelijkheid is dat de explosie een "orphan afterglow" (wees-naglans) was, wat betekent dat de jet in een richting werd afgevuurd die niet rechtstreeks op de Aarde gericht was. In dit scenario zien we de zijkant van de jet in plaats van de kern, wat zou verklaren waarom het licht langzaam steeg en waarom geen gammastraling werd gedetecteerd. De tweede mogelijkheid is dat de jet wel naar ons toe gericht was, maar "vies" was, wat betekent dat deze verstopt zat met te veel materie om een heldere flits van gammastraling te produceren. In dit geval zou de explosie een "dirty fireball" (vuile vuurbel) zijn, waarbij de energie langzaam vrijkomt als een heldere optische flits zonder de gebruikelijke hoogenergetische signatuur.

Een cruciaal puzzelstukje ontbreekt: het team kan niet bevestigen of er daadwerkelijk gammastraling werd uitgezonden. De satelliet die ontworpen is om deze hoogenergetische uitbarstingen te detecteren, Fermi-GBM, werd op het exacte moment van de explosie door de Aarde geblokkeerd. Vanwege deze hiat in de dekking kunnen de onderzoekers niet definitief zeggen of het een gammastraalburst was die toevallig verborgen was voor het zicht, of een gammastraalburst die helemaal niet plaatsvond. Deze onzekerheid betekent dat ze niet kunnen kiezen tussen de "orphan" en de "dirty fireball" verklaringen. Beide scenario's wijzen echter naar dezelfde conclusie: de gebeurtenis werd aangedreven door een relativistische motor, waarschijnlijk de ineenstorting van een massieve ster, maar het gedroeg zich anders dan de typische explosies die we gewend zijn.

De betekenis van deze ontdekking reikt verder dan de specifieke gebeurtenis. Het bewijst dat TESS, een telescoop die primair is gebouwd om planeten te vinden, ook kan dienen als een krachtig instrument voor het vinden van snelle, zeldzame explosies in het universum. Door de nieuwe softwarepipeline te gebruiken om de gegevens van de satelliet te analyseren, hebben het team aangetoond dat we deze uurslange transiënten kunnen detecteren zonder een gamma-ray trigger nodig te hebben. Dit opent de deur naar het vinden van een hele nieuwe populatie kosmische gebeurtenissen die voorheen onzichtbaar in het volle zicht lagen. Hoewel het team nog niet kan zeggen hoeveel van deze gebeurtenissen er precies bestaan, suggereert de ontdekking van AT 2020afjz dat ze er wel degelijk zijn, wachtend om gevonden te worden. Terwijl de software de gegevens van TESS blijft scannen, verwachten astronomen meer van deze vluchtige momenten te ontdekken, wat een duidelijker beeld geeft van de meest extreme fysica in het universum.

De studie benadrukt ook het belang van timing en precisie. De flits duurde slechts 2,4 uur boven de helft van zijn maximale helderheid, een venster dat zo kort is dat het gemist zou zijn door telescopen die slechts één keer per dag foto's maken. Het vermogen om de stijging en daling van de gebeurtenis met dergelijke details te resolveren, stelde de onderzoekers in staat om de fysica van de explosie met een hoge mate van vertrouwen te modelleren. Ze stelden vast dat de explosie plaatsvond in een dichte omgeving, waarschijnlijk een wolk van gas en stof, die de manier waarop het licht naar ons toe reisde, heeft beïnvloed. Deze dichtheid suggereert dat de explosie plaatsvond in een regio waar actief sterren worden gevormd, wat consistent is met de locatie van het gaststelsel.

Ondanks het gebrek aan gammastraalgegevens, vormt de gebeurtenis een ijkpunt voor het begrijpen van deze snelle transiënten. Het laat zien dat niet alle relativistische explosies er hetzelfde uitzien, en dat sommige puur via hun optische licht gedetecteerd kunnen worden. De onderzoekers zijn van plan hun methoden toe te passen op toekomstige TESS-gegevens, in de hoop meer voorbeelden te vinden en uiteindelijk het volledere verhaal van deze gamma-stille gebeurtenissen in elkaar te puzzelen. Voor nu staat AT 2020afjz als een testament voor de kracht van persistente observatie en de waarde van het kijken naar de hemel met een frisse blik, waardoor een verborgen hoek van het universum wordt onthuld die voorheen buiten bereik was.