Wird der stärkste Gammastrahlenausbruch diese Supernova-„Sprengstoffe“ enthüllen?

„Wir sind voller Ehrfurcht und fühlen uns sehr glücklich, es studieren zu können.“

Abbildung 1 Beobachtung von GRB221009A durch das Gemini-Süd-Teleskop in Chile

(Bildnachweis: Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA//B. O'Connor (UMD/GWU)

& J. Rastinejad & W. Fong (Northwestern University)

Am 9. Oktober 2022 zog ein helles Licht an unserem Planeten vorbei und „blendete“ sogar mehrere Satellitensonden vorübergehend. Alle Augen waren auf den extrem starken Gammastrahlenausbruch gerichtet, der den Himmel erleuchtete. Gammastrahlen sind neben dem Urknall die energiereichste bekannte Explosionsart im Universum und ihr Auftreten ist oft ein Zeichen für die Geburt eines Schwarzen Lochs.

Innerhalb weniger Stunden richteten sich Zehntausende Teleskope auf der ganzen Welt auf die Quelle der Explosion und zeichneten diesen historischen Moment auf. Das Ereignis trägt den Spitznamen BOAT (brightest of all time, das hellste aller Zeiten), der offizielle Name lautet GRB 221009A, und Wissenschaftler hoffen, dass es Licht in die Physik der furchterregenden Schwarzen Löcher bringen wird. „Dies ist ein Ereignis, wie es nur einmal im Jahrhundert, vielleicht sogar nur einmal im Jahrtausend vorkommt. Wir sind voller Ehrfurcht und dankbar für die Möglichkeit, es zu untersuchen“, sagte Brandon O’Connor von der Maryland and George Washington University.

Tatsächlich sind Gammastrahlen keine Seltenheit. Fast täglich passiert ein Strahl dieser Sterne die Erde, und im Universum tauchen sie sogar noch häufiger auf. Neutronensterne entstehen bei Supernova-Explosionen massereicher Sterne. Diese Sternenleichen verbrennen allmählich ihre Energie, und die durch ihren Kollaps verursachten Gammastrahlen blitzen nur wenige Sekundenbruchteile lang auf. Die von einem Schwarzen Loch verursachte Gammastrahlung kann mehrere Minuten andauern. Sie entstehen durch eine Supernova-Explosion, bei der große Mengen Materie des Muttersterns verschluckt und in Form eines riesigen Jets ausgestoßen werden.

Der diesmal beobachtete Gammastrahlenausbruch war im Vergleich zu früheren Ausbrüchen besonders ausgeprägt. Die von ihm erzeugten Photonen bombardierten den Detektor zehn Minuten lang und trugen eine weitaus höhere Energie als bisher beobachtet. Mit 18 Teraelektronenvolt haben die Photonen von GRB221009A die doppelte Energie der vom Large Hadron Collider, dem leistungsstärksten Teilchengenerator der Erde, erzeugten Photonen. Ungewöhnlich war auch das Nachglühen der Explosion, das durch die Wechselwirkung von Gammastrahlen mit kosmischem Staub entstand. Obwohl die Gammastrahlenquelle durch das dicke Band der Milchstraße blockiert wurde, war sie heller als jedes zuvor beobachtete Nachglühen. Die Explosion ionisierte die Erdatmosphäre und störte den Langwellenfunkverkehr.

Abbildung 2: Gammastrahlenausbruch GRB221009A, beobachtet vom Gemini-Süd-Teleskop in Chile

(Bildnachweis: Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA//B. O'Connor (UMD/GWU)

& J. Rastinejad & W. Fong (Northwestern University)

Brandon O'Connor sagte, dass wir am 14. Oktober 2022, fünf Tage nach der Emission der Gammastrahlen, das Gemini-Süd-Teleskop in Chile verwendet hätten, um die Quelle von etwa 30 % der Gammastrahlen aufzuspüren, die aus der staubigen Sagittarius-Galaxie stammten, die auch als Pfeilgalaxie bekannt ist. Und es gab noch eine weitere Überraschung: Dieser Gammastrahlenausbruch war näher an der Erde als je zuvor.

Jillian Rastinejad, eine Studentin der Northwestern University, die an den Messungen teilnahm, sagte, die Strahlung werde durch den Kollaps massereicher Sterne verursacht, die eine kurze Lebensdauer hätten. Sie folgen der Sternentstehungsgeschichte des Universums. Je intensiver also die Sternentstehung ist, desto zahlreicher sind diese Ausbrüche, und zwar ungefähr halb so alt wie das Universum. Dieser Gammastrahlenausbruch ereignete sich jedoch später und näher an uns.

Astronomen spekulieren, dass GRB221009A aus einer Entfernung von 2,4 Milliarden Lichtjahren von der Erde stammt. GRBs in geringerer Entfernung wurden schon früher beobachtet, aber dieses Mal fällt die hohe Energie auf. „Da es hell genug ist, haben wir viel Zeit, weitere Einzelheiten herauszufinden“, sagte Brandon O’Connor. „Mit mindestens 50 Teleskopen, die den gesamten Wellenlängenbereich beobachten, können wir die wissenschaftliche Technologie optimal nutzen.“

In Wirklichkeit dauert der Gammastrahlenausbruch nur wenige Minuten, die Folgen können jedoch Wochen andauern. Wissenschaftler suchen auch nach Explosionen, die durch Supernovas verursacht werden, die Materie langsamer ausstoßen. Brandon O'Connor sagte, dass unser derzeitiges Verständnis davon gehe, dass massereiche Sterne nach innen kollabieren und dabei Schwarze Löcher bilden. Die Überreste der Sterne würden dann kontinuierlich angesaugt und in Form von Jets aus dem Schwarzen Loch ausgestoßen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen und dabei Gammastrahlenausbrüche bilden. Gleichzeitig prallte ein Teil der Trümmer mit geringerer Geschwindigkeit nach außen und verursachte eine Supernova-Explosion.

Abbildung 3: Kosmischer Staubring, entzündet durch den stärksten Gammastrahlenausbruch

(Bildnachweis: NASA/Swift/A. Beardmore (University of Leicester, UK))

Der anfängliche Gammastrahlenausbruch interagierte mit der umgebenden Materie und verursachte Folgen. Rastinejad sagte, dass diese Wellenlänge den Bereich elektromagnetischer Wellen umfasst und am besten im Röntgen- und Radiowellenbereich beobachtet werden kann. Wissenschaftler arbeiten noch immer daran, die Folgen der Strahlung zu beobachten. Es wurde erstmals vom Gammastrahlen-Verfolgungssatelliten Swift der NASA fotografiert und bildete wenige Stunden nach der Explosion einen bunten Ring um die Quelle.

Teleskope können jetzt die ersten Anzeichen einer Supernova-Explosion bei GRB 221009A erkennen, und Rastinejad weist darauf hin, dass die Explosion in den kommenden Wochen für uns vollständig sichtbar sein wird, wir jedoch aufgrund der begrenzten Lage der Explosionsquelle möglicherweise nicht in der Lage sein werden, die gesamte Explosion und das Ende der Supernova zu sehen. Er wandert allmählich hinter die Sonne, sodass er dieses Jahr bis Ende November andauern wird und wir ihn erst im Februar nächsten Jahres wieder beobachten können.

Sie wies darauf hin, dass sich im Jahr 2023 die Weltraumteleskope James Webb und Hubble der NASA an der Initiative beteiligen und ihre leistungsstarken optischen bzw. infraroten Erkennungsfähigkeiten einbringen werden. Die Erforschung der durch die Explosion freigesetzten Energie ist ein Meilenstein, ebenso wie die Erforschung der beteiligten Chemikalien. Wir wissen immer noch nicht, wie einige der schweren Elemente im Universum entstehen, und die Untersuchung von Supernovas kann uns helfen, das Rätsel zu lösen.

Abbildung 4 Neugeborene Schwarze Löcher bilden starke Gammastrahlenstrahlen

(Bildnachweis: NASA/ESA/M. Kornmesser)

Gammastrahlen wurden in den 1960er Jahren zufällig von Militärsatelliten entdeckt, die zur Überwachung sowjetischer Atomtests eingesetzt wurden. Sie blieben jahrzehntelang ein Rätsel, bis Wissenschaftler in den 1990er Jahren erstmals erkannten, dass im Universum verborgene Gammastrahlen möglicherweise mit dem Kollaps von Sternen in Zusammenhang stehen.

Derzeit basiert ein Großteil unseres Verständnisses von Gammastrahlen noch auf theoretischen Berechnungen und Simulationen. Wissenschaftler glauben, dass dieser Gammastrahlenausbruch bisherige Theorien grundlegend widerlegen wird. Wissenschaftler werden diese einmalige Gelegenheit voll ausnutzen und in den kommenden Monaten werden zahlreiche Artikel veröffentlicht.

Obwohl Explosionen ähnlicher Energie ein Segen für die wissenschaftliche Forschung sind, wollen Wissenschaftler nicht, dass solche Explosionen in der Nähe der Erde und vorzugsweise nicht in unserer Galaxie stattfinden. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Gammastrahlen, die aus Tausenden von Lichtjahren Entfernung auf die Erde treffen, die Ozonschicht zerstört und dadurch atmosphärische Veränderungen ausgelöst haben, die schließlich zu einer Eiszeit führten. Tatsächlich war ein ähnlicher Gammastrahlenausbruch die Ursache für eines der fünf größten Massenaussterben auf der Erde – das ordovizische Massenaussterben vor etwa 440 Millionen Jahren.

„Glücklicherweise ist der von diesem Jet erzeugte Gammastrahlenausbruch sehr schmal und nur wenige Grad breit“, sagte Brandon O’Connor. „Wenn es in unserer Galaxie passieren und direkt auf uns gerichtet wäre, wäre es gefährlich, aber glücklicherweise ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches Phänomen eintritt, äußerst gering.“

Zusätzliche Erklärung: ① NOIRLab: National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory

Nationales Forschungslabor für optisch-infrarote Astronomie

② NSF: Nationale Wissenschaftsstiftung

③ AURA: Vereinigung der Universitäten für astronomische Forschung

Universitäts-Astronomie-Forschungsvereinigung

④ Teraelektronenvolt, auch bekannt als Teraelektronenvolt, 10^12 ev

⑤ LHC: Large Hadron Collider

⑥ Swift: Swift Gammastrahlen-Explorer

VON: Tereza Pultarova

FY: gxm

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