"Laso" zeichnet den gesamten Prozess des Billionen-Elektronenvolt-Gammastrahlenausbruchs im Moment des Todes eines massereichen Sterns vollständig auf

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.

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 haben Wissenschaftler endlich das Geheimnis der Explosion gelüftet.

Lasso misst erstmals den gesamten Prozess eines hochenergetischen Photonenausbruchs präzise

Einzelheiten des von Lasso erfassten Signals deuten darauf hin, dass die detektierten Photonen aus den Folgen 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 ein „Nachglühen“ , auch Nachglühen genannt. **„Zum ersten Mal hat ‚LASO‘ den gesamten Prozess der ‚Nachwirkungsexplosion‘ genau beobachtet und das gesamte Stadium der Verstärkung und Abschwächung des Billionen Elektronenvolt starken Gammastrahlenflusses aufgezeichnet.“ sagte Cao Zhen, Chefwissenschaftler des LHAASO-Projekts, Sprecher der internationalen Kooperationsgruppe LHAASO und Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

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.

Die schnelle Zunahme des hochenergetischen Photonenflusses wurde erstmals mit dem Lasso-System gemessen.

„Während der darauffolgenden Explosion registrierte ‚LaCe‘ erstmals einen sehr schnellen Anstieg des Photonenflusses.“ sagte Yao Zhiguo, einer der korrespondierenden Autoren des Artikels und Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Die Durchflussrate erhöhte sich in weniger als zwei Sekunden um mehr als das Hundertfache und das anschließende langsame Wachstumsverhalten entsprach den erwarteten Merkmalen einer nachfolgenden Explosion. Eine derart schnelle Verbesserung in einem so frühen Stadium übertraf die Erwartungen früherer theoretischer Modelle. Welche Art von Mechanismus gibt es? Die diesmal veröffentlichten Beobachtungsergebnisse werden in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eingehende Diskussionen über die Mechanismen der Energieeinspeisung von Gammastrahlenausbrüchen, der Photonenabsorption und der Teilchenbeschleunigung auslösen.

"Laso" entdeckt das Geheimnis des hellsten Gammastrahlenausbruchs der Geschichte

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 lässt sich dadurch erklären, dass das Auswurfmaterial nach der Explosion eine strahlartige Struktur aufweist. Wenn sich der Strahlungswinkel zum Rand des Strahls hin ausweitet, kommt es zu einem rapiden Abfall der Helligkeit.“ sagte Wang Xiangyu, einer der korrespondierenden Autoren des Artikels und Professor an der Universität Nanjing. 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. „Gerade weil der Beobachter zufällig auf den hellsten Kern des Jets blickte, erklärt das natürlich, warum dieser Gammastrahlenausbruch der hellste in der Geschichte ist, und erklärt auch, warum solche Ereignisse extrem selten sind.“ Dai Zigao, einer der korrespondierenden Autoren des Artikels und Professor an der University of Science and Technology of China, sagte.

Die hochstatistischen Beobachtungen von Lasso im höchsten Energieband werden weitere Geheimnisse enthüllen

Während der zehn Minuten dieses Ereignisses übertraf die Zahl der von Lasso aufgezeichneten Photonen die Gesamtzahl der Beobachtungen des Krebsnebels mit der „Standardkerze“ in den letzten Jahren. „Wenn die Auswahlbedingungen auf das Minimum reduziert werden, kann die Anzahl der Photonen 100.000 erreichen!“ sagte Cha Min, einer der korrespondierenden Autoren des Artikels und Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Im Vergleich mit anderen experimentellen Geräten im gleichen Energiebereich, sogar mit Geräten, die speziell für die Verfolgung von Gammastrahlenausbrüchen entwickelt wurden, lag die von ihnen gemessene Zahl der Photonen nur unter tausend, und sie maßen das „Nachglühen“ erst mehr als 60 Sekunden nach der Explosion. „Bis jetzt gibt es viele weitere neue Erkenntnisse zu dieser Explosion, und Wissenschaftler arbeiten unermüdlich daran, die Daten von ‚Lasso‘ noch tiefer zu erforschen und weitere Geheimnisse zu lüften. Bitte warten Sie auf die Ergebnisse der nachfolgenden Datenanalyse von ‚Lasso‘.“ Cao Zhen äußerte optimistische Erwartungen hinsichtlich der nächsten Phase der Ergebnisse von LHAASO.

Abbildung 1: Lasso beobachtete den Gammastrahlenausbruch GRB 221009A mit einem hohen Signifikanzniveau von mehr als dem 250-fachen der Standardabweichung.

Abbildung 2: Das intrinsische Spektrum und das beobachtete Spektrum des von „LASSO“ in fünf Zeiträumen gemessenen Gammastrahlenausbruchs 221009A mit einem Energiebereich von etwa 200 Milliarden bis 7 Billionen Elektronenvolt.

Abbildung 3: Der von „LASSO“ beobachtete Lichtvariationsprozess und die exponentielle Entwicklung des Energiespektrums der Nachleuchtstrahlung von GRB221009A im Energiebereich von 300 Milliarden bis 5 Billionen Elektronenvolt sowie die Funktionsanpassung. „Laso“ gelang erstmals die vollständige Beobachtung des Nachleuchtstrahlungsprozesses eines Gammastrahlenausbruchs über 100 Milliarden Elektronenvolt, entdeckte das Phänomen des schnellen Wachstums des Nachleuchtstrahlungsprozesses und entdeckte das Phänomen der schnellen Abschwächung des Nachleuchtstrahlungsprozesses des Gammastrahlenausbruchs GRB221009A.

Quelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften