Das bislang hellste „kosmische Feuerwerk“ wurde vollständig aufgezeichnet und zu einem der zehn größten wissenschaftlichen Fortschritte des Jahres gewählt. Was sagt uns diese Leistung von „Lasso“?

Am 29. Februar 2024 gab die National Natural Science Foundation of China die „Top Ten Advances in Chinese Science“ für das Jahr 2023 bekannt. Ein wichtiger Durchbruch wurde durch die internationale Zusammenarbeit des High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO) unter der Leitung von Akademiemitglied Cao Zhen vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verkündet – LHAASO entdeckte den extrem schmalen Jet und die 10 Billionen Elektronenvolt-Photonen des hellsten Gammastrahlenausbruchs der Geschichte. Die entsprechenden Artikel zu dieser Errungenschaft wurden am 8. Juni 2023 in Science und am 15. November 2023 in Science Advances veröffentlicht.

Als Sie dieses Ergebnis zum ersten Mal sahen, erkannten Sie die Wörter, verstanden aber nicht ganz, wie sie zusammengesetzt waren? Lassen Sie mich Ihnen nun einige grundlegende Kenntnisse vermitteln.

Lasso entdeckte den extrem schmalen Jet und die 10-Billionen-Elektronenvolt-Photonen des hellsten Gammastrahlenausbruchs der Geschichte (künstlerische Darstellung)

1. Gammastrahlenausbrüche, ein „kosmisches Feuerwerk“ in Milliarden Lichtjahren Entfernung

Ein Gammastrahlenausbruch (abgekürzt „GRB“) ist ein plötzliches und kurzzeitiges Gammastrahlenexplosionsphänomen am Himmel. Es handelt sich um das heftigste Himmelsexplosionsphänomen seit dem Urknall. Um eine anschauliche Metapher zu verwenden: Ein Gammastrahlenausbruch ist wie ein riesiges Feuerwerk. Der einzige Unterschied besteht darin, dass wir Feuerwerke direkt mit bloßem Auge sehen können, für die Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen jedoch spezielle wissenschaftliche Großgeräte benötigen.

Gammastrahlenausbrüche wurden erstmals im Jahr 1967 entdeckt. Ihre Hauptstrahlung liegt im Gammastrahlenband von 100 keV bis 10 MeV. Mithilfe von Weltraumsatellitendetektoren wurden von Menschen nahezu 10.000 Gammastrahlenausbrüche aufgezeichnet. Basierend auf der Strahlungsdauer werden Gammastrahlenausbrüche in zwei Kategorien unterteilt: kurze Ausbrüche, die weniger als 2 Sekunden dauern, und lange Ausbrüche, die länger als 2 Sekunden dauern.

Wie entstehen also Gammastrahlenausbrüche? Derzeit geht die wissenschaftliche Gemeinschaft im Allgemeinen davon aus, dass lange Ausbrüche durch den Kernkollaps supermassereicher Sterne und kurze Ausbrüche durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne entstehen. Beide Prozesse erzeugen Jets mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Unabhängig davon, ob es sich um lange oder kurze GRBs handelt, stammen sie alle aus weit entfernten extragalaktischen Galaxien mit einer durchschnittlichen Entfernung von etwa 10 Milliarden Lichtjahren.

2. Es ist nicht einfach, hochenergetische Gammastrahlenausbrüche vollständig zu beobachten

Die Strahlung eines Gammastrahlenausbruchs wird in zwei Phasen unterteilt: vorübergehende Strahlung und Nachleuchtstrahlung. Das Nachglühen ist die Folgestrahlung eines Gammastrahlenausbruchs und wurde erstmals 1997 entdeckt.

Man geht allgemein davon aus, dass der zentrale Motor eines Gammastrahlenausbruchs zunächst einen extrem heißen Feuerball erzeugt, der sich mit extrem relativistischer Geschwindigkeit nach außen ausdehnt. Wenn die schnellere Materie dahinter die langsamere Materie davor einholt, kommt es zu einer Kollision, die eine interne Stoßwelle erzeugt. Die interne Stoßwelle erhitzt Elektronen auf relativistische Energie. Die relativistischen Elektronen bewegen sich im Magnetfeld und erzeugen durch Synchrotronstrahlung oder inverse Compton-Streuung keV/MeV-Gammastrahlen. Dies ist die momentane Strahlung des Gammastrahlenausbruchs.

Die relativistische Materie bewegt sich weiter durch das interstellare Medium und erzeugt eine äußere Stoßwelle. Die externe Stoßwelle beschleunigt Elektronen im interstellaren Medium und erzeugt durch die Synchrotronstrahlung der Elektronen eine sich relativ langsam ändernde Strahlung im Röntgen-, optischen, Radio- und anderen Bändern, die als Nachleuchtstrahlung bezeichnet wird.

Die Billionen-Elektronenvolt-Strahlung eines Gammastrahlenausbruchs wurde erst 2019 von erdgebundenen atmosphärischen Tscherenkow-Teleskopen während der Nachglühphase beobachtet, und bisher wurden nur drei Ereignisse beobachtet. Durch gemeinsame Multibandbeobachtungen haben Wissenschaftler herausgefunden, dass das Energiespektrum der Nachglühstrahlung zwei spektrale Komponenten hat. Bei der niederenergetischen Komponente handelt es sich vermutlich um die Synchrotronstrahlung von Elektronen in einem Magnetfeld, während es sich bei der hochenergetischen Komponente vermutlich um die inverse Compton-Streuung von Synchrotronstrahlungsphotonen durch hochenergetische Elektronen handelt.

Da atmosphärische Tscherenkow-Teleskope nur in klaren, mondlosen Nächten beobachten können und über ein sehr enges Sichtfeld verfügen, dauert es einige Zeit, bis sie sich nach dem Empfang der Satellitenalarminformationen in die Richtung des Gammastrahlenausbruchs drehen. Sie sahen nur die absteigende Phase des Nachglühens und verpassten die Beobachtung der vorübergehenden Strahlungsphase und der aufsteigenden Phase des Nachglühens.

3. Chinas „Lasso“ hilft Menschen, die Geheimnisse des bisher hellsten Gammastrahlenausbruchs zu lüften

„Laso“ ist ein mittel- und langfristiges Planungsprojekt für den Aufbau wichtiger nationaler wissenschaftlicher und technologischer Infrastruktur während des 12. Fünfjahresplans. Während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses wurden eine Reihe wichtiger Kerntechnologien entwickelt. Alle Bauarbeiten wurden im Jahr 2021 abgeschlossen und der stabile Betrieb aufgenommen. Es hat bei der Erkennungsempfindlichkeit für ultrahochenergetische Gammastrahlen, der Untersuchungsempfindlichkeit für sehr hochenergetische Gammastrahlen und dem Abdeckungsbereich für kosmische Strahlungsenergie das international führende Niveau erreicht und im Mai 2023 mit einer Leistung, die die Designindikatoren übertrifft, die nationale Abnahme bestanden.

Luftbild des High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO) auf einem Plateau 4.410 Meter über dem Meeresspiegel. Foto mit freundlicher Genehmigung des Instituts für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gammastrahlenausbrüche sind eines der wichtigen wissenschaftlichen Ziele von Lasso. Im Vergleich zum atmosphärischen Tscherenkow-Teleskop verfügt der Lasso-Detektor über ein viel größeres Sichtfeld. Es kann jederzeit ein Siebtel des gesamten Himmels überwachen und verfügt über Beobachtungszeit bei jedem Wetter, sodass es die vorübergehende Strahlung und das frühe Nachglühen von Gammastrahlenausbrüchen beobachten kann.

Am Abend des 9. Oktober 2022 (Pekinger Zeit) zeichneten Weltraumsatelliten den hellsten bekannten Gammastrahlenausbruch der Menschheitsgeschichte auf (GRB 221009A). Er entstand durch den Kollaps und die Explosion eines massereichen Sterns, der mehr als 20-mal schwerer als die Sonne ist, als ihm der Brennstoff ausging. Aufgrund vorhandener Beobachtungen geht man davon aus, dass ein solch heller Gammastrahlenausbruch alle tausend Jahre einmal auftritt.

Dank des großen Sichtfelds und der hohen Empfindlichkeit von „LaSor“ konnten Menschen erstmals den gesamten Entwicklungsprozess der Billionen Elektronenvolt starken Nachleuchtstrahlung des Gammastrahlenausbruchs vom Aufsteigen bis zum Abklingen beobachten. Basierend auf dem Zeitpunkt der von Lasso erfassten maximalen Helligkeit wurde berechnet, dass der Lorentz-Faktor der Anfangsgeschwindigkeit des Gammastrahlenausbruchs etwa 440 betrug, was viel schneller ist als die Strahlgeschwindigkeit eines gewöhnlichen Gammastrahlenausbruchs.

„LASO“ beobachtete, dass die Billionen-Elektronenvolt-Strahlung im Frühstadium einen extrem schnellen Anstieg aufwies. Dieses neue Phänomen wurde bei Nachglühen in anderen Bändern noch nie beobachtet. Dies könnte daran liegen, dass der Zentralmotor in der Frühphase weiterhin große Energiemengen in das Nachglühen einspeiste. Auch „LASSO“ beobachtete nach etwa 700 Sekunden einen rapiden Abfall der Helligkeit. Basierend auf der Messzeit von „LASSO“ kann gefolgert werden, dass der Halbwinkel des Jets nur 0,8° beträgt, was dem schmalsten bisher entdeckten Gammastrahlenausbruch-Jet entspricht und somit das Geheimnis des hellsten Gammastrahlenausbruchs der Geschichte lüftet.

4. Die Entdeckung von „ Laso “ bringt neue Erkenntnisse zur theoretischen Untersuchung von Gammastrahlenausbrüchen

„LASO“ registrierte die höchste Photonenenergie von GRB 221009A mit 13 Billionen Elektronenvolt und öffnete damit erstmals das Beobachtungsfenster von 10 Billionen Elektronenvolt für Gammastrahlenausbrüche, was einen Meilenstein in der 60-jährigen Geschichte der Gammastrahlenausbruchforschung darstellt. Auf der Grundlage von Beobachtungen von fast 10.000 Gammastrahlenausbrüchen bei niedriger Energie haben Wissenschaftler ein theoretisches Standardmodell für Nachglühen entwickelt. Die Billionen Elektronenvolt umfassende Nachleuchtstrahlung entsteht durch die synchrone Selbst-Compton-Strahlung relativistischer Elektronen. Theoretisch sollte die Helligkeit von Photonen mit höherer Energie deutlich abnehmen. Die „Lasso“-Messung ergab jedoch, dass die Strahlung von GRB 221009A mehr als 10 Billionen Elektronenvolt beträgt, ohne dass das erwartete Dimmphänomen auftritt. Dies stellt das Standardstrahlungsmodell des Nachglühens von Gammastrahlenausbrüchen in Frage und deutet darauf hin, dass Photonen von etwa 10 Billionen Elektronenvolt durch komplexere Teilchenbeschleunigungsprozesse erzeugt werden könnten oder dass es neue Strahlungsmechanismen geben könnte.

Wenn sich hochenergetische Gammaphotonen durch den Weltraum ausbreiten, werden sie vom Hintergrundlicht absorbiert, das das Universum durchdringt. Je höher die Energie der Gammaphotonen ist, desto stärker ist die Absorption.

Das kosmische Hintergrundlicht ist die Summe aller Strahlungsprodukte von Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen im Universum und steht in engem Zusammenhang mit der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. GRB 221009A ist etwa 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Es wird erwartet, dass Lasso unter Verwendung des bestehenden Modells des kosmischen Hintergrundlichts Schwierigkeiten haben wird, Photonen über 10 Billionen Elektronenvolt zu erkennen. Die Messergebnisse von Lasso zeigen, dass das Universum transparenter ist als ursprünglich erwartet. Die Intensität des kosmischen Hintergrundlichts im Infrarotbereich beträgt nur etwa 40 % der vom bestehenden kosmologischen Modell erwarteten Intensität. Dies ist für die Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Universum von großem Wert.

Wenn andererseits angenommen wird, dass die Absorptionsintensität des vorhandenen kosmischen Hintergrundlichts korrekt ist, dann muss es einen neuen physikalischen Mechanismus jenseits des aktuellen Standardmodells der Teilchenphysik geben, der die Beobachtungen erklärt. Wenn beispielsweise die „Lorentz-Symmetrie“, die die Grundlage von Einsteins spezieller Relativitätstheorie bildet, im Hochenergiebereich eine sehr kleine Verletzung aufweist, wird dieser Effekt während des Langstreckenflugs von Gammaphotonen über 2,4 Milliarden Lichtjahre zu einem beobachtbaren Phänomen verstärkt und erklärt so die „Lasso“-Beobachtungsergebnisse. Darüber hinaus ist das Axion ein neues Teilchen außerhalb des Standardmodells. Wenn es eine Schwingung zwischen hochenergetischen Photonen und Axionen gibt, kann dies auch die von „Lasso“ beobachtete schwache Absorption hochenergetischer Gammaphotonen erklären.

Abschluss

„Laso“ ist eine bedeutende nationale wissenschaftliche und technologische Infrastruktur im Haizi-Berg auf einer Höhe von 4.410 Metern im Kreis Daocheng in der Provinz Sichuan. Es handelt sich um ein bodengestütztes Detektorfeld für Schauerteilchen mit einer Fläche von einem Quadratkilometer, das aus 5.216 elektromagnetischen Teilchendetektoren und 1.188 Myonendetektoren besteht, ein 78.000 Quadratmeter großes Wasser-Tscherenkow-Detektorfeld und ein zusammengesetztes Feld aus 18 Weitwinkel-Tscherenkow-Teleskopen. „Laso“ wurde im Juli 2021 fertiggestellt und nahm einen qualitativ hochwertigen und stabilen Betrieb auf. Es handelt sich um ein international führendes Gerät zur Detektion hochenergetischer Gammastrahlen mit großem Sichtfeld und Allwettereigenschaften. Es kann täglich zwei Drittel des Himmels überwachen. „Laso“ soll mehr als 20 Jahre lang in Betrieb sein und in Zukunft voraussichtlich weitere Gammastrahlenausbrüche erfassen und weitere Durchbrüche bei der Erforschung dieses heftigsten Himmelsexplosionsphänomens seit dem Urknall erzielen.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chen Songzhan, Forscher am Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Hersteller: China Science and Technology Digital Media Co., Ltd.