Ein Gammastrahlenausbruch, der einmal in tausend Jahren auftritt! Aber es bringt mehr kosmische Geheimnisse mit sich?

In einer Scheibengalaxie, 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Milchstraße entfernt, kam es zu einer schockierenden Explosion. Das bei der Explosion ausgestoßene Material bildete einen extrem schmalen Strahl, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegte. Dies führt dazu, dass die freigesetzte Energie wie ein Laserstrahl in eine bestimmte Richtung ausstrahlt, und unsere Erde befindet sich zufällig in dieser Richtung. Um 13:17 Uhr Am 9. Oktober 2022 Weltzeit traf dieser Blitz in Form eines Gammastrahlenausbruchs (GRB) auf die Erde und wurde sofort von zahlreichen Satelliten und erdgebundenen Gammastrahlenobservatorien erfasst. Der Name des Astronomen entspricht üblicherweise dem Datum und der Art seiner Entdeckung: Gammastrahlenausbruch (GRB) 2210009A (abgekürzt GRB 09A). Doch schon bald machte ein berühmterer Name in der astronomischen Welt die Runde: der hellste Gammastrahlenausbruch der Geschichte. Seine Helligkeit ist so beispiellos, dass die meisten Hochenergie-Weltraumteleskope, die ihn beobachteten, überbelichtet waren und keine zuverlässigen Messungen durchführen konnten. Die vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden „IHEP“ genannt) entwickelten Weltraumteleskope „Insight“ und „Jimu“ haben aufgrund ihrer einzigartigen Konstruktion erfolgreich genaue Messungen dieses Gammastrahlenausbruchs durchgeführt. Seine Entdeckung und präzise Messung werden das Verständnis der Astronomen hinsichtlich des Ursprungs und der physikalischen Mechanismen von Gammastrahlenausbrüchen auf den neuesten Stand bringen und den Menschen zu einem besseren Verständnis der grundlegenden physikalischen Gesetze und der Geschichte der kosmischen Evolution verhelfen.

Heftige Explosionen im gesamten Universum

Die Entdeckung von Gammastrahlenausbrüchen ist eine legendäre Geschichte. Im Jahr 1963 unterzeichneten die Vereinigten Staaten, die Sowjetunion und das Vereinigte Königreich den Vertrag über das teilweise Verbot von Kernwaffentests, der Atomwaffentests in der Atmosphäre, unter Wasser und im Weltraum verbot. Um andere Länder zu überwachen, starteten die Vereinigten Staaten Ende der 1960er Jahre die Satelliten der Vela-Serie, die mit den damals modernsten Gammastrahlendetektoren ausgestattet waren, um bei Atomexplosionen entstehende Gammastrahlenblitze zu erkennen. Am 2. Juli 1967 registrierten die Satelliten Vela der Serien 2 und 3 einen Gammastrahlenblitz, der keiner bekannten Atomwaffenexplosion ähnelte. Insgesamt wurden bald 16 ähnliche Gammastrahlenblitze entdeckt. Aufgrund der groben Positionsdaten schloss das Forschungsteam jedoch die Möglichkeit aus, dass diese Blitze von künstlichen Objekten oder Sonnenaktivität herrührten.

Diese Ergebnisse wurden 1973 in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal unter dem Titel „Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin“ veröffentlicht. Seitdem ist den Menschen die Existenz solch gewaltiger und mysteriöser Explosionen im Universum weitgehend bekannt. Seit 1991 hat das Compton Gamma-ray Space Observatory in den USA mehr als 2.700 Gammastrahlenausbrüche entdeckt. Sie sind fast gleichmäßig in alle Himmelsrichtungen verteilt und nicht in einem schmalen Band der Milchstraße konzentriert. Daher waren sich die Astronomen sofort einig: Gammastrahlenausbrüche stammen aus den Tiefen des Universums außerhalb der Milchstraße. In der Terminologie der Astronomen heißt es: „Gammastrahlenausbrüche haben einen kosmologischen Ursprung.“ Da Gammastrahlenausbrüche aus extrem großen Entfernungen stammen, können Wissenschaftler aufgrund der beobachteten Helligkeit zu dem Schluss kommen, dass die von diesen Gammastrahlenausbrüchen freigesetzte Energie erstaunlich hoch ist und sogar größer ist als die Energie, die die gesamte Milchstraße in einem Jahr durch Strahlung freisetzt. Daher werden Gammastrahlenausbrüche auch als „die heftigste Explosion im Universum seit dem Urknall“ bezeichnet.

Seit der Entdeckung von Gammastrahlenausbrüchen spekulieren Wissenschaftler darüber, was genau die Ursache für solch gewaltige Explosionen im Universum ist. Schon bald waren zahlreiche wissenschaftliche Zeitschriften mit einer Vielzahl theoretischer Vermutungen gefüllt. In der Astronomie-Community gab es damals einen Witz: „Es gibt mehr theoretische Modelle für Gammastrahlenausbrüche als Gammastrahlenausbrüche.“

Während die Beobachtungsdaten zu Gammastrahlenausbrüchen immer präziser und vollständiger wurden, konnten die meisten Vermutungen der Überprüfung durch Beobachtungen nicht standhalten. Nach großem Aufwand setzten sich zwei Vermutungen allmählich als allgemein akzeptierte Theorien zu Gammastrahlenausbrüchen durch: kollabierende Sterne und die Verschmelzung von Neutronensternen. Astronomen gehen heute davon aus, dass diese beiden Arten kosmischer Katastrophen den beiden bisher beobachteten Arten von Gammastrahlenausbrüchen entsprechen – langen und kurzen Gammastrahlenausbrüchen.

Das Kollapssternmodell geht davon aus, dass der Kernfusionsbrennstoff in einem massereichen Stern am Ende seiner Lebensdauer aufgebraucht ist. Die enorme Schwerkraft des Sterns verliert den thermischen Druck, der ihn lange im Gleichgewicht gehalten hat, und sein Kern kollabiert schnell nach innen und wird zu einem schnell rotierenden schwarzen Loch. Während die Materie aus den äußeren Schichten des Sterns weiter auf das neu entstandene Schwarze Loch zufällt, werden unter der kombinierten Wirkung des Magnetfelds und der allgemeinen Relativitätstheorie zwei Plasmastrahlen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs ausgestoßen, wodurch die potentielle Gravitationsenergie des kollabierten Sterns freigesetzt wird. In den Jets, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, kollidiert die ausgestoßene Materie miteinander oder mit dem umgebenden interstellaren Medium und wandelt dabei einen Teil ihrer kinetischen Energie in elektromagnetische Strahlung um. Dadurch entstehen die vorübergehende Strahlung und das Nachglühen der langen Gammastrahlenausbrüche, die wir auf der Erde beobachten.

Im Neutronenstern-Fusionsmodell bildet ein Neutronenstern mit einem anderen kompakten Objekt ein Doppelsternsystem. Da die Bahnenergie des Doppelsternsystems aufgrund der Gravitationswellenstrahlung weiter abnimmt, nähert sich der Neutronenstern seinem kompakten Himmelsbegleiter immer mehr an, bis es schließlich zu einer Kollision kommt. Dieser Fusionsprozess wird den Neutronenstern in zwei Teile reißen. Ein Teil wird zusammen mit dem kompakten Himmelsbegleiter ein schnell rotierendes Schwarzes Loch bilden, der andere Teil wird dann auf das Schwarze Loch zustürzen. Dann werden, wie im Modell des kollabierten Sterns, zwei Hochgeschwindigkeitsplasmastrahlen ausgestoßen, die den von uns beobachteten kurzen Gammastrahlenausbruch bilden. Im Gegensatz zum Modell kollabierender Sterne werden bei der Verschmelzung von Neutronensternen Gravitationswellen freigesetzt. Daher gelten auch kurze Gammastrahlenausbrüche als Multi-Messenger-Quellen, die gemeinsam mit Gravitationswellen beobachtet werden können. Das Gravitationswellenereignis GW170817 aus dem Jahr 2017 ist ein solches Beispiel. Es wurde festgestellt, dass es zur gleichen Zeit und am gleichen Ort wie der kurze Gammastrahlenausbruch GRB 170817A auftrat und damit zum stärksten Beweis für das Modell der Neutronensternverschmelzung wurde.

China hat den stärksten Gammastrahlenausbruch vollständig und genau gemessen

In den ersten Jahrzehnten der astronomischen Forschung zu Gammastrahlenausbrüchen fehlten die Namen chinesischer Detektoren. Diese Situation änderte sich erst im Jahr 2001, als die mit einem Gammastrahlen-Detektor ausgestattete Raumsonde Shenzhou II erfolgreich gestartet wurde. Mit dem Start des Satelliten Insight-HXMT konnten wir 2017 unsere Fähigkeiten bei der Beobachtung und Erforschung von Gammastrahlenausbrüchen unter Beweis stellen. Der Satellit Insight-HXMT ist Chinas erster Röntgen-Astronomiesatellit, der unter der Leitung des Instituts für Hochenergiephysik entwickelt wurde. Das hochenergetische Röntgenteleskop an Bord ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Suche und Messung von Gammastrahlenausbrüchen. Vier Jahre nach dem Start veröffentlichte das wissenschaftliche Team von Insight-HXMT die ersten 322 Gammastrahlenausbrüche, die vom Satelliten Insight-HXMT beobachtet wurden. In den Jahren 2020 und 2022 startete mein Land nacheinander drei vom Institut für Hochenergiephysik speziell zur Erkennung von Gammastrahlenausbrüchen entwickelte Satelliten – „Jimu“ A, B und C. Zu diesem Zeitpunkt haben die Satelliten „Insight“ und „Jimu“ zusammen mit den weltweiten Vorgängersatelliten zur Erkennung von Gammastrahlenausbrüchen wie Fermi, Swift, INTEGRAL, Konus usw. ein Himmelsnetz zur Erfassung und Messung von Gammastrahlenausbrüchen gebildet.

Nicht lange nachdem dieses große Netz gewoben war, wurde die Erde vom stärksten Gammastrahlenausbruch der Geschichte, 09A, heimgesucht.

Da es sich beim Gammastrahlenausbruch 09A um einen langen Gammastrahlenausbruch handelt, wird spekuliert, dass er durch den Kollaps eines massereichen Sterns entstanden ist. Die Galaxie, in der es vorkommt, ist 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Das klingt zwar sehr weit weg, ist aber im Vergleich zu anderen Gammastrahlenausbrüchen immer noch sehr nah. Darüber hinaus ist der Strahlwinkel dieses Gammastrahlenausbruchs sehr klein, sodass er im Vergleich zu anderen Gammastrahlenausbrüchen konzentrierter Energie in Richtung Erde abstrahlen kann. Diese beiden einzigartigen Eigenschaften machen GRB 09A zum hellsten Gammastrahlenausbruch, der jemals beobachtet wurde: Seine Helligkeit ist tausende Male höher als die typischer heller Gammastrahlenausbrüche.

Eine solche unerwartete Helligkeit hat auch den weltweit gängigen Gammastrahlenausbruchsdetektoren erhebliche Probleme bereitet und ähnliche Probleme wie bei einer Überbelichtung von Kameras verursacht. Diese problematischen Detektoren können keine vollständigen und zuverlässigen Detektionsdaten liefern und können daher keine genaue Antwort auf die Frage geben, wie hell der Gammastrahlenausbruch 09A ist.

Während der hellsten Phase von GRB 09A befanden sich die Satelliten Insight-HXMT und Extreme Eyes C in der Orbitalposition und im Betriebszustand, in der sie ihn beobachten konnten. Ein besonderer Zufall ist, dass der Stern „Jimu“ C zu dieser Zeit über den hohen Breitengraden der Erde flog. Aufgrund der starken Interferenz geladener Teilchen in diesem Bereich haben Forscher einen speziellen Arbeitsmodus für den Stern „Jimu“ C entwickelt – einen Arbeitsmodus mit geringer Empfindlichkeit. Das ist so, als würde jemand eine Sonnenbrille aufsetzen, bevor er in die sehr helle Natur hinausgeht.

Gerade aufgrund dieses speziellen Arbeitsmodus und der speziellen Konstruktion von „Jimu“ zur Erkennung heller Quellen konnten „Jimu“ C und „Hitomi“ gemeinsam die vollständigste und genaueste Messung des Gammastrahlenausbruchs 09A liefern.

Weitere kosmische Rätsel müssen gelöst werden

Auf der Grundlage von Statistiken über zuvor beobachtete Gammastrahlenausbrüche kamen Astronomen zu dem Schluss, dass ein Gammastrahlenausbruch der Helligkeit von 09A nur alle paar tausend oder sogar zehntausend Jahre registriert wird. Es ist an sich schon überraschend, dass ein solcher Gammastrahlenausbruch erst ein halbes Jahrhundert nach der Entdeckung der menschlichen Fähigkeit, Gammastrahlenausbrüche zu beobachten, entdeckt wurde. Einige Astronomen spekulieren, dass 09A einen unbekannten Explosionsmechanismus aufweisen könnte, der sich von anderen Gammastrahlenausbrüchen unterscheidet.

Unsere Analyse zeigt jedoch, dass der beobachtete Energieunterschied durch den extrem kleinen Strahlwinkel verursacht wird. In den vom Insight-HXMT-Team und dem Extreme Eyes-Team veröffentlichten Artikeln wurde durch Messung der Zeitkurve des Nachglühens von GRB 09A geschlussfolgert, dass der Öffnungswinkel des GRB-Jet weniger als 1 Grad beträgt. Aus diesem Grund ist die Energie von GRB 09A stark in einer Richtung konzentriert, wodurch die für Beobachter sichtbare Helligkeit etwa 10.000-mal höher ist als bei ungerichteter Strahlung. Dies erklärt auch, warum 09A eine so einzigartige isotrope Energie hat. Nach Berücksichtigung der Strahlwinkelkorrektur ist die tatsächliche Energie, die von GRB 09A freigesetzt wird, ähnlich der von allgemeinen langen GRBs.

Dies beantwortete jedoch nicht vollständig das Rätsel: „Warum sieht GRB 09A so besonders aus?“ Stattdessen führte es zu einer Reihe neuer Rätsel:

Welcher physikalische Mechanismus ermöglicht es, die Energie eines Gammastrahlenausbruchs so gebündelt und gezielt freizusetzen? Wie hoch ist in der kurzen Geschichte der Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen die Wahrscheinlichkeit, dass die Erde von einer solchen kollimierten, gerichteten Strahlungsenergie aus dem nahen Universum genau anvisiert wird? Darüber hinaus könnte GRB 09A aufgrund seiner Helligkeit von menschlichen Detektoren auch dann erkannt werden, wenn er sich in einer viel größeren Entfernung befände als jetzt. Die Frage ist also: Warum wurde 09A, ein nahegelegener Gammastrahlenausbruch „nur“ 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, zuerst entdeckt und nicht andere ähnliche Gammastrahlenausbrüche an weiter entfernten Orten? Wissen Sie, das weiter entfernte Universum ist größer und die Zahl der massereichen Sterne, die dort kollabieren, ist weitaus größer als im näheren Universum. Daher sollte es mehr Möglichkeiten geben, Gammastrahlenausbrüche wie 09A zu entdecken.

Wissenschaftler haben keine Angst vor Rätseln; stattdessen lieben sie sie. Denn mit jedem Rätsel ist eine mögliche Neuentdeckung verbunden. Die Strahlung eines Gammastrahlenausbruchs entsteht durch komplexe Strahlungsübertragungsprozesse in Jets, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dabei wird das Plasma in der Nähe eines rotierenden Schwarzen Lochs beschleunigt und durch die komplexe Dynamik eines Magnetfelds kollimiert. Daher enthalten das Energiespektrum und die Lichtkurve jedes Gammastrahlenausbruchs die Codes der Teilchenphysik, der Stoßwellenphysik, der Relativitätstheorie, der Schwarzlochphysik und der Magnetohydrodynamik. Gleichzeitig gehen wir heute allgemein davon aus, dass die Vorläufer langer Gammastrahlenausbrüche sterbende massereiche Sterne sind und die Vorläufer kurzer Gammastrahlenausbrüche Doppelsterne aus Neutronensternen und kompakten Sternen. Erstere können als Indikator für die Entstehungsgeschichte und Verteilung massereicher Sterne im Universum betrachtet werden, während Letztere als Indikator für die Geschichte der Fusion von Neutronensternen und kompakten Sternen gelten. Wissenschaftler gehen derzeit davon aus, dass schwere Elemente im Universum mit höheren Ordnungszahlen als Zink aus diesen beiden kosmischen Katastrophenereignissen entstanden sind. Daher enthalten die Häufigkeit und Rotverschiebungsverteilung von Gammastrahlenausbrüchen auch die Antwort auf das Rätsel um den Ursprung der Elemente, aus denen unsere Welt besteht.

Gammastrahlenausbrüche entstehen in den extremsten Umgebungen des Universums, wo die Raumzeit am stärksten gekrümmt ist, die Materie am dichtesten ist, das elektromagnetische Feld am stärksten ist, die Temperatur am höchsten ist und die Bewegungsgeschwindigkeit am höchsten ist. Gammastrahlenphotonen tragen die Codes der tiefgreifendsten Gesetze des Universums in sich. Vor mehr als 50 Jahren lenkte es die Aufmerksamkeit der Menschheit auf den weiten und ewigen Weltraum. Mehr als 50 Jahre später haben Chinas „Hui Yan“ und „Jingmu“ diesen „hellsten Blitz“ präzise dargestellt und den Gammastrahlenausbruch, einst ein strahlender Stern in der Geschichte der Weltastronomie, im Zeitalter der Multi-Messenger-Astronomie erneut erstrahlen lassen. Heute spielen Chinas astronomische Hochenergieteleskope eine immer wichtigere Rolle bei der Beobachtung astrophysikalischer Phänomene im Hochenergiebereich, und chinesische Astronomen werden auch mehr zum menschlichen Verständnis des Universums beitragen.