Es gibt eine neue Entdeckung zu „Laso“! Die weltweit erste präzise Beobachtung des gesamten Nachglühens eines Gammastrahlenausbruchs, wie er nur einmal im Jahrtausend vorkommt

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Crossing the Stars Team

Hersteller: China Science Expo

Am 9. Juni 2023 wurden die neuesten Beobachtungsergebnisse des High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO, auf Chinesisch abgekürzt „Laso“) zum Gammastrahlenausbruch (GRB) mit der Bezeichnung GRB 221009A unter dem Titel „Ein Tera-Elektronenvolt-Nachglühen eines schmalen Jets in einem extrem hellen Gammastrahlenausbruch 221009A“ online in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Dieses Dokument wurde von der internationalen LHAASO-Kollaborationsgruppe erstellt.

Höhenobservatorium für kosmische Strahlung (LHAASO)

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Vor etwa zwei Milliarden Jahren verbrannte ein massereicher Stern, eine sogenannte „Supersonne“, die mehr als zwanzigmal schwerer als die Sonne war, seinen Kernfusionsbrennstoff und kollabierte augenblicklich. Dabei wurde eine gewaltige Explosionsflamme ausgelöst, die einen gewaltigen Gammastrahlenausbruch in Form eines „kosmischen Feuerwerks“ auslöste, der Hunderte von Sekunden anhielt. Eine große Zahl von Billionen Elektronenvolt hochenergetischer Gammaphotonen, die durch die Kollision des Feuerballs mit interstellarer Materie entstanden, flogen durch das weite Universum direkt auf die Erde zu und erreichten am Abend des 9. Oktober 2022 um 21:20:50 Uhr das Sichtfeld von „Lazo“. Mehr als 60.000 Gammaphotonen wurden von „Lazo“ gesammelt. Nach monatelangen Analysen konnten Wissenschaftler endlich das Geheimnis der Explosion lüften.

Was ist ein Gammastrahlenausbruch?

Ein Gammastrahlenausbruch (auch GRB abgekürzt) ist das heftigste Explosionsphänomen im Himmel nach dem Urknall. Es bezieht sich auf die plötzliche Zunahme von Gammastrahlenblitzen, die aus einer bestimmten Richtung am Himmel kommen. Gammastrahlenausbrüche können nur eine Tausendstelsekunde oder mehrere Stunden lang sein. Kurzzeitige Gammastrahlenausbrüche entstehen durch die Verschmelzung zweier nahe beieinander liegender kompakter Objekte (Schwarze Löcher oder Neutronensterne), während langzeitige Gammastrahlenausbrüche durch den Kollaps und die Explosion massereicher Sterne (Supersterne) entstehen, wenn ihnen der Brennstoff ausgegangen ist.

Am 9. Oktober 2022 um 21:16:59.59 Uhr Pekinger Zeit registrierte die Raumsonde Fermi erstmals einen ungewöhnlich hellen Gammastrahlenausbruch, der nach internationaler Konvention GRB221009A genannt wird. Anschließend wurde dieser Ausbruch von Dutzenden Weltraum- und Bodendetektoren beobachtet. Dieser Gammastrahlenausbruch ist lang und seine Helligkeit ist Dutzende Male höher als die des hellsten Gammastrahlenausbruchs in der Vergangenheit. Der übermäßige Photonenfluss führte zur Sättigung der Detektoren mehrerer internationaler Experimente. Das High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO), der Satellit High Energy Burst Explorer (HEBS) und der Satellit Insight-HXMT meines Landes haben diesen Gammastrahlenausbruch gleichzeitig erfasst und so koordinierte Beobachtungen vom Boden bis in den Weltraum über einen breiten Energiebereich von 11 Größenordnungen hinweg erreicht.

Künstlerische Darstellung der Lasso-Erkennung eines Gammastrahlenausbruchs (GRB 221009A).

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Erste präzise Messung des gesamten Prozesses eines hochenergetischen Photonenausbruchs

Die von „Laso“ diesmal gesammelten Signaldetails deuten darauf hin, dass die detektierten Photonen von der Folgeexplosion nach der Hauptexplosion stammen. Die „Hauptexplosion“ eines Gammastrahlenausbruchs, auch Prompt-Strahlung genannt, ist eine gewaltige Explosion im Anfangsstadium, die sich als starke Gammastrahlung mit niedriger Energie manifestiert. Wenn Sprengstoffe, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, mit den umgebenden Gasen kollidieren, entsteht eine „Nachexplosion“, auch Nachglühen genannt. Zum ersten Mal konnte Lasso den gesamten Prozess der „Nachwirkungsexplosion“ genau beobachten und die gesamte Phase der Verstärkung und Abschwächung des Billionen Elektronenvolt starken Gammastrahlenflusses aufzeichnen.

Basierend auf der Beobachtung von Zehntausenden von Gammastrahlenausbrüchen haben Wissenschaftler ein scheinbar perfektes theoretisches Modell erstellt und glauben sogar fest daran. „Laso“ hat eine lehrbuchartige, vollständige Beobachtung von Lichtvariationsprozessen in Hochenergiebändern erreicht, die anderen Experimenten nicht gelungen ist, und bietet damit eine experimentelle Grundlage für die präzise Überprüfung theoretischer Modelle. Angesichts der Seltenheit dieses Ausbruchs, der alle tausend Jahre einmal vorkommt, wird erwartet, dass dieses Beobachtungsergebnis auch in den nächsten Jahrzehnten oder sogar Jahrhunderten das beste bleiben wird.

Das Geheimnis des hellsten Gammastrahlenausbruchs der Geschichte ist gelüftet

Beobachtungen von Lasso zeigten, dass die Helligkeit der hochenergetischen Strahlung an einem Punkt weniger als 10 Minuten nach der Detonation plötzlich und schnell abnahm. Dies liegt vor allem daran, dass die Auswurfmassen nach der Explosion strahlartige Strukturen aufweisen und die Helligkeit rapide abnimmt, wenn sich der Strahlungswinkel zum Rand des Strahls hin erweitert. Da dieser Helligkeitsübergang sehr früh erfolgte, war auch der gemessene Winkel des Strahls extrem klein, nämlich nur 0,8 Grad. Dies ist der Jet mit dem kleinsten bisher bekannten Öffnungswinkel. Das bedeutet, dass es sich bei dem beobachteten Objekt tatsächlich um den hellsten Kern eines typischen Jets handelt, der innen hell und außen dunkel ist. 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 extrem selten sind.

Lasso beobachtete den Gammastrahlenausbruch GRB 221009A mit einem hohen Signifikanzniveau von mehr als 250 Standardabweichungen.

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

LHAASO: 4410 Meter hoch, erforscht die ultrahohen Energiegrenzen des Universums

LHAASO ist eine bedeutende nationale wissenschaftliche und technologische Infrastruktur, deren Kern die Beobachtung und Erforschung kosmischer Strahlung ist. Es liegt im Haizi-Berg, Kreis Daocheng, Provinz Sichuan, auf einer durchschnittlichen Höhe von 4.410 Metern und umfasst eine Fläche von etwa 1,36 Quadratkilometern. LHAASO besteht aus drei Arrays: dem 1 Quadratkilometer großen bodengestützten Partikelschauer-Detektor-Array (KM2A), das aus 5.216 elektromagnetischen Partikeldetektoren und 1.188 Myonendetektoren besteht, dem 78.000 Quadratmeter großen Water Cherenkov Detector Array (WCDA), das aus 3.120 Detektionseinheiten besteht, und dem Wide-angle Cherenkov Telescope Array (WFCTA), das aus 18 Teleskopen besteht. Es kann Gammastrahlen und kosmische Strahlen von hochenergetischen Himmelskörpern breitbandig und mit mehreren Methoden messen und Forschungen in der Astrophysik und anderen Bereichen durchführen.

Die Beobachtungsergebnisse wurden hauptsächlich durch das Wasser-Tscherenkow-Detektor-Array geliefert. Der Detektor verwendet 360.000 Tonnen reines Wasser als Medium und misst die Sekundärprodukte der Bewegung und Wirkung von Gammastrahlen oder kosmischen Strahlen in der Atmosphäre, wie etwa Gammaphotonen mit niedriger Energie, Positronen und Elektronen, mithilfe von 6.240 lichtempfindlichen Sonden unterschiedlicher Größe, die auf dem Grund des Wassers platziert sind. Sie erzeugen im Wasser Tscherenkow-Lichtsignale. Der Energiebereich der Gammastrahlenbeobachtung des Arrays umfasst zwei Größenordnungen, von 100 Milliarden Elektronenvolt bis 10 Billionen Elektronenvolt, und verfügt über ein weites Sichtfeld und Allwettereigenschaften, wodurch es herausragende Vorteile bei der Erfassung plötzlicher astronomischer Phänomene wie Gammastrahlenausbrüche bietet.

Höhenobservatorium für kosmische Strahlung (LHAASO)

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Die hochstatistischen Beobachtungen von „Lasso“ im höchsten Energieband werden weitere Geheimnisse enthüllen. Wissenschaftler arbeiten noch immer unermüdlich daran, tiefer in die Daten von „Lasso“ einzudringen, um weitere Geheimnisse zu lüften. Wir freuen uns auch auf weitere Ergebnisse aus der Beobachtungsforschung, die uns ein tieferes Verständnis des Universums ermöglichen werden.