selten! Neue Entdeckung an chinesischem Observatorium! Photonen von vor 2 Milliarden Jahren empfangen!

Am Abend des 9. Oktober 2022 (Pekinger Zeit) registrierte der US-Satellit Fermi einen Gammastrahlenausbruch (im Folgenden als Gammastrahlenausbruch bezeichnet) aus dem Weltraum mit der Bezeichnung GRB 221009A. Der enorme Strahlungsfluss dieses Gammastrahlenausbruchs führte zur Sättigung der Erfassungskapazität der meisten experimentellen Detektoren internationaler Weltraumsatelliten, was zu vorübergehenden Instrumentenausfällen oder Datenstaus führte.

Nach einer vergleichenden Analyse mehrerer Detektoren auf der ganzen Welt waren sich die Astronomen einig, dass dies der hellste Gammastrahlenausbruch in der Menschheitsgeschichte war , etwa 50-mal heller als der zweite, und nannten ihn daher BOAT (Brightest of All Time).

Während dieses Ausbruchs erbrachte Chinas High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO, auf Chinesisch abgekürzt „LASO“) hervorragende Leistungen und lieferte Beobachtungsdaten von äußerst hoher Qualität im Billionen-Elektronenvolt-Bereich. Dabei wurde nicht nur zum ersten Mal die Phase des Anstiegs der Leuchtkraft des Billionen-Elektronenvolt-Nachglühens des Gammastrahlenausbruchs abgebildet, sondern auch die Lichtvariation und das Brechungsphänomen des sehr frühen Nachglühens entdeckt .

Höhenobservatorium für kosmische Strahlung. Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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Gammastrahlenausbrüche, der Schwanengesang des Sternentodes

Ein Gammastrahlenausbruch ist ein plötzlicher Ausbruch von Gammastrahlen am Himmel.

Der Ursprung von Gammastrahlenausbrüchen gibt den Astronomen seit ihrer Entdeckung im Jahr 1967 Rätsel auf. Gammastrahlen auf der Erde entstehen im Allgemeinen durch radioaktive Elemente, daher werden Gammastrahlenausbrüche auf der Erde oft mit heftigen Atomexplosionen in Verbindung gebracht. Allerdings sind die Kernreaktionen der Sterne am Himmel relativ stabil und es kommt nicht zu plötzlichen Explosionen.

Von welchen Himmelskörpern stammen die Gammastrahlenausbrüche am Himmel? Befinden sie sich in unserer Galaxie oder im fernen Universum? Warum treten diese Gammastrahlen in Schüben auf und verschwinden so schnell?

Bis in die 1990er Jahre gab es auf diese Fragen keine klaren Antworten. Dank der hervorragenden Positionierung des Röntgen-Nachglühens des Satelliten BeppoSAX konnte 1997 bestätigt werden, dass Gammastrahlenausbrüche aus weit entfernten Galaxien stammen. Auch das relativistische Feuerballmodell von Gammastrahlenausbrüchen wurde in vielen Aspekten bestätigt.

Das Geheimnis der Gammastrahlenausbrüche ist endlich gelüftet: Gammastrahlenausbrüche entstehen durch einen sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegenden „Feuerball“ , der eine große Zahl von Gammaphotonen und Positronen-Elektronen-Paaren enthält. Aufgrund der starken Magnetfeldumgebung im „Feuerball“ können hochenergetische Elektronen durch Mechanismen wie Synchrotronstrahlung Gammastrahlen erzeugen.

Diesmal lief der Empfang der Gammastrahlen durch „Laso“ wie folgt ab:

Vor etwa 2 Milliarden Jahren ging einem massereichen Stern der Brennstoff für die Kernfusion aus und er kollabierte aufgrund der Schwerkraft, wobei ein extrem schmaler, kegelförmiger „Feuerball“ ausgestoßen wurde. Im „Feuerball“ werden zahlreiche hochenergetische Gammaphotonen erzeugt, die zufällig auf die Erde zufliegen und dabei eine Distanz von 2,4 Milliarden Lichtjahren zurücklegen, um die Erde zu erreichen . Diese hochenergetischen Photonen haben sich bei ihrer Ankunft auf der Erde bereits über den Bereich tausender Galaxien ausgebreitet, und letztlich kann nur eine sehr geringe Zahl von Gammaphotonen die Erde treffen.

Wenn Gammaphotonen in die Atmosphäre eintreten, kollidieren sie mit Atomkernen in der Erdatmosphäre und zerfallen in ein Paar aus Positronen und Elektronen. Positronen und Elektronen kollidieren mit atmosphärischen Kernen und erzeugen Photonen mit etwas geringerer Energie. Diese Photonen fragmentieren weiter und dieser Zyklus wiederholt sich. Aus dem ursprünglichen Gammaphoton wird rasch ein immer stärker werdender Cluster, und die Energie eines einzelnen Teilchens wird immer geringer, bis die Energie zerstreut und erschöpft ist und keine Wirkung mehr hat.

Am 9. Oktober 2022 um 21:21 Uhr Pekinger Zeit erreichten nacheinander Gammaphotonen die Erde und traten in die Atmosphäre ein. Luftschauer bombardierten die Oberfläche, doch leider kann das menschliche Auge diese spektakulären Schauer nicht erkennen. „Lazo“ war Zeuge von allem und die Menschen reisten mit „Lazo“ zwei Milliarden Jahre lang, um die Geheimnisse des 2,4 Milliarden Lichtjahre entfernten Sterns zu entschlüsseln.

Ein hochenergetische Gamma-Ereignis trifft den „Lasor“, künstlerische Darstellung. Bildnachweis: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, erstellt vom Zentrum für Kunst- und Wissenschaftsforschung, Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

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Afterglow, eine hervorragende Sonde zur Entschlüsselung von Gammastrahlenausbrüchen

Wie hat „Lazo“ das Geheimnis dieses Sterns entschlüsselt? Dies beginnt mit dem Nachglühen des Gammastrahlenausbruchs.

Wenn der von einem Gammastrahlenausbruch ausgestoßene „Feuerball“ mit dem interstellaren Medium (wie Staub und Gas) kollidiert, beschleunigt er Teilchen, darunter Elektronen und Atomkerne. Unter ihnen werden hochenergetische Elektronen elektromagnetische Wellen in verschiedenen Bändern ausstrahlen, darunter Radio-, Infrarot-, sichtbares Licht, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen, die wie ein Regenbogen mehrere Stunden, Tage oder sogar Monate am Himmel leuchten. Dieses Phänomen wird „Nachglühen“ genannt.

Das Nachglühen entsteht durch die Wechselwirkung des kegelförmigen „Feuerballs“ mit dem interstellaren Medium. Bildnachweis: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, erstellt vom Zentrum für Kunst- und Wissenschaftsforschung, Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

Wenn der Nachleuchtprozess beginnt, werden weiterhin Gammaphotonen in zunehmend schnellerem Tempo produziert und die Anzahl der produzierten Photonen erreicht innerhalb kürzester Zeit ein Maximum. Bei diesem Vorgang geht die Energie des „Feuerballs“ allmählich verloren und der Anstieg der Strahlungsphotonenzahl verlangsamt sich allmählich.

Im „Auge“ von „Lazo“ leuchtet der Himmel plötzlich auf und verdunkelt sich dann allmählich. „Lazo“ kann die Helligkeitsänderungen des Gammastrahlenausbruchs „fühlen“ . Der Prozess, bei dem Gammaphotonen auf die Erde treffen, ist wie ein Sommerregen: Er kommt schnell und braucht lange, um wieder vorüber zu sein. Wissenschaftler verwenden „Lichtkurven“, um den Prozess der Veränderung der Nachglühhelligkeit im Laufe der Zeit zu beschreiben, der zwei Hauptphasen umfasst: das Ansteigen und das Abfallen der Helligkeit.

Die Entdeckung und Beobachtung des Nachglühens brachte bahnbrechende Fortschritte in der Erforschung von Gammastrahlenausbrüchen. Im Vergleich zu der Strahlung, die durch Wechselwirkungen innerhalb eines Gammastrahlenausbruch-Feuerballs entsteht und nur kurze Zeit anhält (sogenannte vorübergehende Strahlung), dauert das Nachglühen länger und weist ein reicheres Wellenlängenband auf, wodurch der Mensch umfassendere Informationen über den Gammastrahlenausbruch-„Feuerball“ erhalten kann.

In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen das Nachglühen von fast 10.000 Gammastrahlenausbrüchen in mehreren Bändern beobachtet, darunter im Radio-, optischen, Röntgen- und Gammastrahlenbereich, und das Bild des Nachglühens im Wesentlichen perfektioniert. Über den anfänglichen Prozess des Nachglühens, also die Phase, in der die Helligkeit allmählich zunimmt, haben die Astronomen allerdings noch nicht viel beobachtet.

Dies liegt daran, dass die Dauer der Helligkeitsanstiegsphase sehr kurz ist, nur etwa einige zehn Sekunden, und dass das Instrument die Beobachtung schnell ausrichten und verfolgen muss, um sie zu erreichen. Da zudem der Strahlungsfluss mit zunehmender Energie rasch abnimmt, haben Astronomen im Hochenergiebereich noch nie eine Zunahme der Helligkeit des Nachglühens beobachtet.

Enthält dieser unbeobachtete Streifen neue Geheimnisse?

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"Lasso"

Erste vollständige Beobachtung hochenergetischer Nachglühstrahlung

Seit 2018 beobachten zwei atmosphärische Tscherenkow-Teleskope das Nachglühen von drei Gammastrahlenausbrüchen im Energiebereich von Teraelektronenvolt (TeV). Da es jedoch eine gewisse Zeit dauert, bis sich das Teleskop in die Richtung des Gammastrahlenausbruchs dreht, sahen sie nur die abnehmende Phase des Nachglühens und konnten nicht das komplette Bild der zeitlichen Entwicklung des hochenergetischen Nachglühens darstellen.

Aber das „Lasso“ ist anders. „Laso“ hat drei Vorteile: Es gibt uns mehr Möglichkeiten, das Nachglühen von Gammastrahlenausbrüchen besser zu beobachten.

Einer davon ist die ultrahohe Empfindlichkeit im Energiebereich von 100 Milliarden bis 10 Billionen Elektronenvolt. Die Gesamtabdeckungsfläche des Wasser-Tscherenkow-Detektor-Arrays von „Laso“ beträgt bis zu 78.000 Quadratmeter, was viermal so groß ist wie bei ähnlichen internationalen Detektoren, und kann sehr schwache Gammastrahlenausbrüche beobachten.

Der zweite ist das weite Beobachtungssichtfeld. „LaSor“ kann 1/6 der Weltraumreichweite gleichzeitig beobachten, was hundertmal größer ist als ein Teleskopgerät, und kann mehr Gammastrahlenausbrüche erfassen, ohne sich zu drehen.

Der dritte ist der Allwetter-Arbeitsstatus.

Egal ob Tag oder Nacht, Sonne oder Regen, „Laso“ kann kontinuierlich beobachten und muss nicht wie ein Teleskop nur in klaren Nächten arbeiten.

Schematische Darstellung des Wasser-Tscherenkow-Detektor-Arrays „Laso“. Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Die Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen ist eines der wichtigen wissenschaftlichen Ziele von Lasso. Das hochenergetische Strahlungssignal des Gammastrahlenausbruchs 221009A erreichte das Sichtfeld von „Lazo“ am Abend des 9. Oktober 2022 um 21:20:50 Uhr. In weniger als einer Stunde wurden von „Lazo“ mehr als 60.000 Gammaphotonen bei einem hervorragenden Beobachtungswinkel gesammelt, mit einer Signifikanz von bis zum 250-fachen der Standardabweichung.

Nach monatelanger Analyse konnten Wissenschaftler endlich das Geheimnis der Explosion lüften und die Ergebnisse am 9. Juni 2023 online in der Zeitschrift Science veröffentlichen. Mithilfe des „Lasso“ konnten Menschen erstmals den gesamten Entwicklungsprozess der hochenergetischen Nachleuchtstrahlung des Gammastrahlenausbruchs vom Aufsteigen bis zum Abklingen „sehen“ und so das fehlende Puzzleteil der Nachleuchtlichtkurve ergänzen.

Lichtkurve für den gesamten von Lasso beobachteten Teraelektronenvolt-Energiebereich. Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Welche Bedeutung hat also die Beobachtung des Stadiums, in dem die Helligkeit des Nachglühens zunimmt?

„Lasso“ überwachte die Situation innerhalb weniger Sekunden nach dem Auftreten des Nachglühens und berechnete anhand der Lichtkurve den Startzeitpunkt der Nachglühstrahlung des Gammastrahlenausbruchs.

Auch einige Spekulationen über das sehr frühe Nachglühen aus dem theoretischen Modell lassen sich bestätigen. In früheren theoretischen Analysen sollte der erste Nachglühstrahl im Spitzenstadium des vorübergehenden Strahlungsausbruchs des Gammastrahlenausbruchs erscheinen, und dieser Moment fällt grundsätzlich mit dem von anderen Detektoren beobachteten Spitzenmoment des Gammastrahlenausbruchs zusammen.

„LASSO“ erkannte die ansteigende Phase der Nachleuchtlichtkurve und gab das Zeitintervall vom Beginn bis zum Höhepunkt an. Anhand des Modells können Theoretiker dann auf die Bewegungsgeschwindigkeit des „Feuerballs“ GRB221009A schließen. Im Vergleich dazu wird der „Feuerball“ des Gammastrahlenausbruchs mit einer viel höheren Geschwindigkeit ausgestoßen, mit einem Lorentz-Faktor von bis zu 440, was nur drei Millionstel Unterschied zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist!

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Licht verändert und bricht und enthüllt die Geheimnisse von BOAT

Zusätzlich zu den oben genannten Entdeckungen beobachtete „LASO“ direkt eine plötzliche Helligkeitsänderung, die 700 Sekunden nach dem Auftreten des Nachglühens einsetzte. In der Lichtkurve war eine unterbrochene Struktur zu sehen. Man ging davon aus, dass es sich bei diesem Phänomen um den Rand des „Feuerball“-Jet handelte.

Woher kommt der „Feuerball“ eines Gammastrahlenausbruchs? Aktuelle Theorien gehen davon aus, dass es sich um einen relativistischen Jet handelt, der von einem zentralen Himmelskörper erzeugt wird. Der zentrale Himmelskörper kann ein schnell rotierender Neutronenstern oder ein schwarzes Loch sein. Mit Hilfe des extrem heftigen elektromagnetischen Feldes, das durch die schnelle Rotation entsteht, wird ein Teil der durch die Schwerkraft kollabierten Rückstoßmaterie entlang der Richtung der Rotationsachse ausgestoßen und bildet einen Strahl, der einem gezündeten Feuerwerk ähnelt. Wenn sich die Geschwindigkeit dieser ausgestoßenen Materialien der Lichtgeschwindigkeit nähert, tritt ein relativistischer Fokussierungseffekt auf, der das Licht wie ein Scheinwerfer bündelt.

Wenn die Größe des „Scheinwerferstrahls“ kleiner ist als der Strahl selbst und sich der Beobachter im Strahl befindet, können wir die Form des Strahls nicht erkennen, da das Licht, das wir zu diesem Zeitpunkt sehen, vollständig fokussiert ist.

Allerdings kann der Jet nicht immer die gleiche Geschwindigkeit halten. Wenn die Geschwindigkeit abnimmt, lässt seine Fähigkeit zur Lichtsammlung nach und wir können dann den Rand des Strahls sehen. Auch seine durchschnittliche sichtbare Helligkeit wird geringer sein, was durch einen plötzlichen und schnellen Helligkeitsabfall mit einer deutlichen Beugung oder Krümmung erkennbar ist, die Hinweise auf die Form und Größe des Jets gibt.

In vielen Experimenten wurden bereits Lichtdiskontinuitäten bei Gammastrahlenausbrüchen beobachtet, diese Phänomene treten jedoch oft mehrere Stunden nach dem Auftreten des Nachglühens auf. Das Ergebnis der „Laso“-Beobachtung ist, dass die Menschen dieses Mal zum ersten Mal innerhalb von Hunderten von Sekunden den Lichtbruch des Nachglühens sahen, was der früheste Zeitpunkt in der Geschichte ist. Dies trägt wesentlich zu unserem Verständnis von Jets und ihren Entstehungsmechanismen bei.

Denn nur wenn wir den Lichtbruch beobachten, können wir die Größe des Strahls selbst bestimmen und daraus Rückschlüsse auf die Bedingungen ziehen, die für die Entstehung eines solchen „Feuerballs“ erforderlich sind.

Aus den Beobachtungsdaten von „Lasso“ schlossen die Wissenschaftler, dass der Halbwinkel dieses Jets lediglich 0,8 Grad beträgt. Dies ist der Jet mit dem kleinsten bekannten Winkel, was bedeutet, dass die beobachteten Photonen tatsächlich aus dem hellsten Kern eines typischen Jets stammen. Die Tatsache, dass der Beobachter zufällig direkt auf den hellsten Kern des Jets blickte, erklärt natürlich, warum dieser Gammastrahlenausbruch der hellste in der Geschichte ist und auch, warum solche Ereignisse selten sind.

Schematische Darstellung der Ursachen lichtinduzierter Brüche. Das Nachglühen weist eine starke Kollimation auf. Der Beobachter sieht zunächst nur den mittleren Bereich des kegelförmigen „Feuerballs“. Wenn der „Feuerball“ langsamer wird, nimmt die Kollimation des Lichts ab, das Sichtfeld erweitert sich langsam und schließlich ist der gesamte „Feuerball“ zu sehen. Bildquelle: Referenz [10]

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Rasanter Aufstieg, noch immer ungelöste Rätsel

Dank seiner überlegenen Beobachtungsfähigkeiten und hervorragenden Beobachtungswinkel gelang Lasso eine perfekte Beobachtung von GRB 221009A, einem Jahrtausendereignis und dem hellsten Gammastrahlenausbruch, der jemals aufgezeichnet wurde. Dabei gelang die erste vollständige Messung der Lichtkurve der hochenergetischen Nachleuchtstrahlung eines Gammastrahlenausbruchs, die direkte Beobachtung des Brechungsphänomens der Nachleuchtstrahlung, die Erklärung der Ursache des hellsten Gammastrahlenausbruchs und die Bestätigung der klassischen Theorie der Gammastrahlenausbrüche. Dieses Beobachtungsergebnis wird einen bleibenden Eindruck in der Geschichte der menschlichen Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen hinterlassen.

Aber das ist nicht das Ende.

Die Lichtkurve umfasst eine Phase schnellen Anstiegs, in der sich der Strahlungsfluss des Gammastrahlenausbruchs in weniger als zwei Sekunden um mehr als das Hundertfache erhöht, und das anschließende langsame Wachstumsverhalten entspricht den erwarteten Eigenschaften der nachfolgenden Explosion. Dies ist das erste Mal weltweit, dass das Phänomen eines extrem schnellen Anstiegs des Photonenflusses in der Nachleuchtstrahlung eines Gammastrahlenausbruchs festgestellt wurde. Eine derart schnelle Verbesserung übertraf die Erwartungen früherer theoretischer Modelle.

Welcher Mechanismus liegt hier vor?

Man geht davon aus, dass die diesmal veröffentlichten Beobachtungsergebnisse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eingehende Diskussionen über die Mechanismen der Energieeinspeisung von Gammastrahlenausbrüchen, der Photonenabsorption und der Teilchenbeschleunigung auslösen werden. Wissenschaftler werden dieses Gebiet weiterhin tiefer erforschen und uns weitere Geheimnisse der Gammastrahlenausbrüche lüften.

Quellen:

[1] Lesage S, Veres P, Briggs MS, et al. Fermi-GBM-Entdeckung von GRB 221009A: Ein außergewöhnlich heller GRB vom Beginn bis zum Nachglühen[J]. arXiv-Vorabdruck arXiv:2303.14172, 2023.

[2] An ZH, Antier S, Bi XZ, et al. Insight-HXMT- und GECAM-C-Beobachtungen des hellsten GRB aller Zeiten, 221009A[J]. arXiv-Vorabdruck arXiv:2303.01203, 2023.

[3] Burns E, Svinkin D, Fenimore E, et al. GRB 221009A: Das Boot[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2023, 946(1): L31.

[4] LHAASO-Zusammenarbeit. Ein Teraelektronenvolt-Nachglühen eines schmalen Jets in einem extrem hellen Gammastrahlenausbruch [J]. Science, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328

[5] Zhang B. Die Physik von Gammastrahlenausbrüchen[M]. Cambridge University Press, 2018.

[6] MAGIC-Zusammenarbeit. Teraelektronenvolt-Emission vom Gammastrahlenausbruch GRB 190114C[J]. Nature, 2019, 575(7783): 455-458.

[7] HESS-Zusammenarbeit. Aufdeckung zeitlicher und spektraler Ähnlichkeiten im Röntgen- und Gammastrahlenbereich im Nachglühen von GRB 190829A[J]. Science, 2021, 372(6546): 1081-1085.

[8] Bose D, Chitnis VR, Majumdar P, et al. Bodengebundene Gammastrahlenastronomie: Geschichte und Entwicklung der Techniken [J/OL]. Eur. Phys. J. ST, 2022, 231(1): 3-26. DOI: 10.1140/epjs/s11734-021-00396-3.

[9] arXiv:2305.17030v1 [astro-ph.HE]

[10] Woosley, S. Vom Licht geblendet. Nature 414, 853–854 (2001).

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Huang Yong, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften; Zheng Jianhe, Universität Nanjing

Hersteller: China Science Expo

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