Einmal in tausend Jahren! Der bisher hellste Gammastrahlenausbruch – wie haben die Teleskope „Insight“ und „Jiming“ ihn gemeinsam erfasst?

Am 29. März um 2 Uhr morgens veröffentlichten Wissenschaftler aus China, den USA, Europa, Japan und anderen Ländern und Regionen gleichzeitig eine bahnbrechende Neuigkeit: Sie berichteten über die Forschungsergebnisse eines „einzigartigen“ und „hellsten Gammastrahlenausbruchs der Geschichte“ (GRB 221009A).

Geschrieben von Sonderkorrespondent Li Peng, Foto- und Textredakteur Chen Yongjie

Redakteur für Neue Medien/Lv Bingxin

Interview-Experten:

Zhang Shuangnan (Forscher am Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Wie entstehen Gammastrahlenausbrüche? Warum setzt sie in nur wenigen Minuten oder sogar Sekunden so große Energiemengen frei, die größer sind als die gesamte Energie, die die Sonne in ihren 10 Milliarden Lebensjahren freisetzt? Wissenschaftler auf der ganzen Welt bemühen sich derzeit, Antworten auf diese Fragen zu finden.

Eine Super-Blitzexplosion aus den Tiefen des Universums, 2,4 Milliarden Lichtjahre entfernt, breitete sich im Oktober 2022 über den Himmel über der Erde aus. Dieses Mal haben chinesische Wissenschaftler und ihre Kollegen aus der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft sie eingefangen, und Chinas gemeinsame Beobachtungen mit Weltraumteleskopen leisteten einen großen Beitrag.

Am 29. März um 2 Uhr Pekinger Zeit veröffentlichten das Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden CAS IHEP genannt) und mehr als 40 wissenschaftliche Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt gemeinsam die Forschungsergebnisse zum bisher hellsten Gammastrahlenausbruch (GRB) GRB 221009A. Mehrere Entdeckungen durch den unabhängig entwickelten Satelliten „Insight-HXMT“ und das Weltraumteleskop „Gecam-C“ meines Landes haben Rekorde gebrochen.

▲Imaginäres Bild des hellsten bisher entdeckten Gammastrahlenausbruchs (GRB 221009A). (Foto mit freundlicher Genehmigung des Instituts für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

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China leistet einen einzigartigen Beitrag zu diesem Himmelskörper, der nur einmal im Jahrtausend vorkommt

Am 9. Oktober 2022 um 21:17 Uhr (Pekinger Zeit) registrierten das High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO, Lasso), Insight-HXMT und GECAM-C meines Landes gleichzeitig den bisher hellsten Gammastrahlenausbruch (Nummer GRB 221009A). Dies ist das erste Mal, dass meinem Land die gemeinsame Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen mit mehreren Mitteln vom Boden und von der Erde aus gelungen ist.

Der rekordverdächtige Ausbruch von GRB 221009A erregte die Aufmerksamkeit fast aller wichtigen astronomischen Beobachtungs- und Forschungseinrichtungen der Welt, und auch die damit verbundene Datenverarbeitung und Forschung trat in eine Phase intensiver Entwicklung ein. Der Satellit Insight-HXMT und das Weltraumteleskop GECAM-C, die gemeinsam vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurden, haben mit ihrem einzigartigen Design und ihrer speziellen Arbeitsweise erfolgreich die weltweit präzisesten Messungen der vorübergehenden Strahlung und des frühen Nachglühens des Gammastrahlenausbruchs in den Energiebändern harter Röntgenstrahlen und weicher Gammastrahlen durchgeführt.

Basierend auf den präzisen Beobachtungsdaten des Extremely Bright Space Telescope stellte das Forschungsteam fest, dass dieser Gammastrahlenausbruch die höchste bisher registrierte Helligkeit aufweist und den Helligkeitsrekord für Gammastrahlenausbrüche um das 50-fache steigert. Da dieser Gammastrahlenausbruch so weit von der Erde entfernt ist, ist das, was die Menschen entdeckt haben, nur ein Tropfen auf den heißen Stein der von ihm ausgesandten Gammastrahlen. Normalerweise haben wir keine Ahnung, wie viel Energie ein Gammastrahlenausbruch in Richtungen außerhalb unserer Sichtlinie abstrahlt. Angenommen, ein Gammastrahlenausbruch sendet in alle Richtungen nahezu die gleiche Menge an Gammastrahlen aus. Dann können wir auf Grundlage der von uns erfassten Gammastrahlen und der Entfernung zwischen den Gammastrahlenausbrüchen die Gesamtenergie aller vom Gammastrahlenausbruch in alle Richtungen emittierten Gammastrahlen berechnen, also die isotrope Energie. Das Forschungsteam stellte fest, dass die isotrope Energie dieses Gammastrahlenausbruchs ebenfalls den Rekord brach und der Freisetzung der Gesamtenergie von 8 Sonnenmassen in 1 Minute entspricht. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass ein extrem schmaler, extrem heller Strahl entstand, der sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegte, und leistete damit einen einzigartigen Beitrag zur Erforschung dieser nur einmal im Jahrtausend vorkommenden Himmelsexplosion.

Berichten zufolge wurde diese Arbeit von einem internationalen Kooperationsteam unter der Leitung des Key Laboratory of Particle Astrophysics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt. Die Teammitglieder kamen aus mehr als 30 Forschungseinrichtungen in China, den USA, Italien, Frankreich, Deutschland und anderen Ländern. Die entsprechenden Ergebnispapiere wurden online auf der Preprint-Plattform veröffentlicht. Der Forscher Xiong Shaolin, stellvertretender Direktor des Zentrums für Teilchenastrophysik des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und leitender Wissenschaftler des Weltraumteleskops „Jimu“, der Forscher Zhang Shuangnan, Direktor des Zentrums für Teilchenastrophysik des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und leitender Wissenschaftler des Satelliten „Hitomi“, und Professor Zhang Bing von der University of Nevada, Las Vegas, sind die Co-Korrespondenzautoren des Artikels. Darüber hinaus gibt es 175 weitere Autoren aus dem internationalen Kooperationsteam.

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Was ist ein Gammastrahlenausbruch? Warum ist diese Zeit etwas Besonderes?

Ein Gammastrahlenausbruch (GRB), auch als Gammastrahlenausbruch bekannt, ist ein Phänomen, bei dem die Intensität der Gammastrahlen aus einer bestimmten Himmelsrichtung innerhalb kurzer Zeit plötzlich zunimmt und dann schnell wieder abschwächt. Es handelt sich um das heftigste Explosionsphänomen seit dem Urknall und gilt als das gewaltigste Ereignis im Universum.

Gammastrahlenausbrüche werden typischerweise durch explodierende Sterne verursacht, die in der Endphase ihres Lebenszyklus heftig explodieren. Eine solche Explosion würde enorme Energiemengen freisetzen, darunter Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und sichtbares Licht. Eine Art von Gammastrahlenausbruch wird als langer Ausbruch bezeichnet, der normalerweise länger als zwei Sekunden dauert. Manche können mehrere zehn Sekunden bis zu mehreren Minuten oder sogar länger andauern. Der diesmal entdeckte Gammastrahlenausbruch gehört in diese Kategorie. Es gibt auch eine Art kurzen Ausbruch, der weniger als 2 Sekunden dauert. Man geht allgemein davon aus, dass lange GRBs durch den Kernkollaps explosionsartig auftretender, sehr massereicher Sterne entstehen, die durch Supernova-Explosionen entstanden sind. Kurze GRBs hingegen entstehen durch die Explosion der Verschmelzung zweier extrem dichter Himmelskörper (Neutronensterne, Schwarze Löcher usw.), die ebenfalls Gravitationswellen aussenden. Beide Arten von Himmelsexplosionen können einen extrem dichten Himmelskörper wie etwa ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern erzeugen, der die umgebende Materie durch seine extrem starke Schwerkraft verschlingt und Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus seinen Polen ausstößt, wodurch ein Paar Jets in entgegengesetzte Richtungen entsteht. Unter anderem beschleunigen Prozesse wie Stoßwellen oder magnetische Rekonnexion im Inneren des Jets geladene Teilchen und erzeugen so Gammastrahlung, die als transiente Strahlung bezeichnet wird. Die durch die Wechselwirkung zwischen dem Jet und dem umgebenden interstellaren Medium erzeugte Strahlung wird Nachglühen genannt.

Seit der erste Gammastrahlenausbruch im Jahr 1967 entdeckt wurde, wurden fast 10.000 Gammastrahlenausbrüche registriert. Am 9. Oktober 2022 beobachteten zahlreiche astronomische Einrichtungen auf der ganzen Welt, darunter weltraum- und bodengebundene Beobachtungsgeräte unter der Leitung des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, GRB 221009A, den bisher hellsten Gammastrahlenausbruch, und stellten fest, dass er seinen Ursprung im tiefen Universum außerhalb der Milchstraße hat, 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Die extreme Helligkeit und die relativ geringe Entfernung dieses Gammastrahlenausbruchs, der erfolgreich von Menschen eingefangen wurde, machen ihn zu einem historischen Ereignis, wie es nur einmal in einem Jahrtausend vorkommt.

Zhang Shuangnan, ein Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte, dass es zwar viele Gammastrahlenausbrüche im Universum gebe und es mit Sicherheit auch Gammastrahlenausbrüche mit höherer Helligkeit gebe, die Wahrscheinlichkeit, dass ihre Strahlen genau auf die Erde gerichtet seien und entdeckt würden, jedoch äußerst gering sei. Nur wenn die Strahlen exakt auf die Erde gerichtet sind, besteht für den Menschen die Möglichkeit, diese Strahlungen wahrzunehmen. Daher ist die genaue Erkennung des bisher hellsten Gammastrahlenausbruchs durch diese Studie etwas, was in Tausenden oder sogar Zehntausenden von Jahren nur schwer möglich wäre.

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Chinas mächtiges Waffenteam erfolgreich erobert

Bei dieser historischen Beobachtung spielten wissenschaftliche Forschungsinstrumente aus China eine einzigartige Rolle. Von entscheidender Bedeutung sind das unter der Leitung des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften errichtete High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO) und die gemeinsamen Weltraum- und Bodenbeobachtungen, die mit dem Satelliten Insight-HXMT und dem Extremely Long-range Telescope durchgeführt werden.

Der Satellit Insight-HXMT und das Extremely Bright Space Telescope wurden speziell für die Erkennung von Gammastrahlenausbrüchen und ihren elektromagnetischen Gegenstücken, den Gravitationswellen, gebaut. Bei der Beobachtung von GRB 221009A wurden diese beiden Beobachtungsinstrumente effektiv kombiniert, um die Strahlungseigenschaften des Gammastrahlenausbruchs in jeder Schlüsselphase von der Vorläuferstrahlung bis zum Hauptausbruch, den Flares und dem frühen Nachglühen in den Energiebändern der harten Röntgen- und weichen Gammastrahlen sehr genau zu charakterisieren.

Unter ihnen befand sich das Weltraumteleskop „Jimu“ in einem speziellen Beobachtungsmodus, der extrem hohe Gammastrahlenflussintensitäten aufzeichnen konnte, wodurch verschiedene Instrumenteneffekte vermieden wurden, die leicht durch extreme Helligkeit verursacht werden (einschließlich Datensättigungsverlust, Signalakkumulation, übermäßige Totzeit usw.), und führte erfolgreich eine vollständige und genaue Erkennung des extrem hellen Hauptausbruchs des Gammastrahlenausbruchs durch. Das mit dem Satelliten Insight-HXMT ausgestattete Hochenergie-Röntgenteleskop konnte den Gammastrahlenausbruch mit seiner größten effektiven Fläche im Megaelektronenvolt-Energiebereich erfolgreich erfassen und qualitativ hochwertige Daten zu seiner Vorläuferstrahlung und seinem frühen Nachglühen gewinnen.

▲ Schematische Darstellung des hellsten Gammastrahlenausbruchs, der bisher vom Satelliten Insight-HXMT und dem Weltraumteleskop Extreme Eyes beobachtet wurde (Foto mit freundlicher Genehmigung des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

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Warum sind „Hui Yan“ und „Jimu“ so großartig?

Es wird davon ausgegangen, dass sowohl der Satellit Insight-HXMT als auch das Extremely Bright Space Telescope vom Institute of High Energy Physics vorgeschlagen und entwickelt wurden. Die Tatsache, dass Insight und Extreme Eyes große Beiträge zur Entdeckung des Gammastrahlenausbruchs GRB 221009A leisteten, hat viel mit einigen einzigartigen Fähigkeiten dieser beiden Projekte zu tun.

Der Satellit Insight-HXMT ist das erste Weltraumteleskop meines Landes für Röntgenstrahlen. Das Projekt wurde 1993 von Li Tibei, einem Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sowie Wu Mei und anderen vorgeschlagen und 2011 genehmigt. Seit seinem Start am 15. Juni 2017 befindet sich der Satellit Insight-HXMT seit mehr als fünf Jahren stabil in der Umlaufbahn und hat eine Reihe wichtiger Ergebnisse in den Bereichen Schwarze Löcher, Neutronensterne und schnelle Radioblitze erzielt. Im Jahr 2017 begann der Satellit Insight-HXMT, sein Potenzial zu zeigen. Am 17. August desselben Jahres erfasste das US-amerikanische Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zum ersten Mal ein Gravitationswellensignal, das durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne erzeugt wurde. Als sich das Ereignis ereignete, konnten weltweit nur vier Röntgen- und Gammastrahlenteleskope das Explosionsgebiet erfolgreich überwachen, und Insight war eines davon. Die ursprüngliche Lebensdauer von „Smart Eye“ betrug nur 4 Jahre, aber da es in gutem Zustand war, konnte seine Betriebszeit verlängert werden. Unerwartet stellte „Hui Yan“ nach zwei Jahren Betriebsverzögerung erneut seine Leistungsfähigkeit unter Beweis.

Das Weltraumteleskop „Jimu“ meines Landes ist ein opportunistisches Weltraumforschungsprojekt, das vom strategischen Forschungsschwerpunkt „Weltraumforschung“ (Phase II) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt wird. Der Projektvorschlag wurde 2016 vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften vorgelegt und 2018 genehmigt. Das Weltraumteleskopprojekt „Jimu“ wurde 2020 erstmals gestartet. Neben der direkten Beobachtung hochenergetischer Himmelsexplosionen wie Gravitationswellen und Gammastrahlenausbrüchen besteht eine weitere Hauptaufgabe dieses Weltraumteleskops darin, verschiedene Arten hochenergetischer Himmelsexplosionen zu beobachten. Sobald „Jimu“ einen explodierenden Himmelskörper entdeckt, überträgt es sofort die relevanten Informationen zur Erde und leitet die astronomische Beobachtungsausrüstung am Boden und im Weltraum an, um schnell weitere Beobachtungen durchzuführen.

An dieser Entdeckung beteiligt ist die dritte Nutzlast der „Jimu“-Serie (Codename GECAM-C), die am 27. Juli 2022 an Bord des Space New Technology Experimental Satellite (SATech-01), der gemeinsam mit dem Microsatellite Innovation Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurde, in die Umlaufbahn gebracht wurde. Die Satelliten der „Jimu“-Serie nutzen eine Reihe innovativer Erkennungstechnologien und waren Vorreiter bei der Nutzung des Kurznachrichtendienstes des Beidou-Navigationssystems, um eine Quasi-Echtzeit-Kommunikation zwischen Satellit und Boden zu erreichen. Es wurde eine große Zahl hochenergetischer Burst-Phänomene entdeckt, beispielsweise Gammastrahlenausbrüche, Magnetarausbrüche, hochenergetische Gegenstücke zu schnellen Radioausbrüchen, Sonneneruptionen und terrestrische Gammastrahlenblitze.

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Erwartung weiterer Forschungsergebnisse zu Gammastrahlenausbrüchen

Aus den gemeinsamen Beobachtungsergebnissen von „Hitomi“ und „Jiming“ zum Gammastrahlenausbruch GRB 221009A lässt sich schließen, dass das Nachglühen des Gammastrahlenausbruchs sehr früh von einem langsamen Zerfall zu einem schnellen Zerfall überging, was bedeutet, dass der Jet, der die Gammastrahlen erzeugt, sehr schmal ist. Dies ist einer der schmalsten Gammastrahlenausbrüche, die je von Menschen registriert wurden. Das Forschungsteam glaubt, dass der extrem schmale Jet einer der Gründe dafür sein könnte, warum der Gammastrahlenausbruch extrem hell erscheint. Daher bieten die Beobachtungen und Forschungen von „Hitomi“ und „Jimu“ eine neue Perspektive für ein tieferes Verständnis dieses extremen kosmischen Explosionsphänomens.

Professor Filippo Frontera von der Universität Ferrara in Italien sagte, dass unter den vielen Beobachtungen dieses Ereignisses die Ergebnisse des rekordverdächtigen Gammastrahlenausbruchs GRB221009 sehr herausfordernd und einzigartig seien. Diese Daten von extrem hoher Qualität sind das Ergebnis der ausgeklügelten Konstruktion der Teleskope „Insight“ und „Extreme Vision“. Die einzigartige Kombination der Daten, die sie während der Detektionsmission erhielten, lieferte auch konkrete Beweise dafür, dass Gammastrahlenausbrüche sehr schmale und gebündelte Jets aussenden können, was neue Hinweise für die Untersuchung der Geburt und der Aktivitäten dieser neugeborenen kompakten Sterne liefert.

Li Tibei, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Professor an der Tsinghua-Universität und Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dieser stärkste Gammastrahlenausbruch der Geschichte berge noch immer viele Unbekannte. Bei der Beobachtung dieses Gammastrahlenausbruchs hat Chinas koordinierte wissenschaftliche Ausrüstung am Himmel und auf der Erde eine Menge einzigartiger, wertvoller und qualitativ hochwertiger Daten gewonnen. Allerdings müssen chinesische Wissenschaftler diese Daten für ihre Forschung voll ausnutzen und gleichzeitig die Beobachtungsergebnisse auf theoretischer Ebene untersuchen. Sie hoffen auf bedeutende Ergebnisse und neue Durchbrüche in der theoretischen Erforschung von Gammastrahlenausbrüchen.

Produziert von: Science Central Kitchen

Produziert von: Beijing Science and Technology News | Pekinger Wissenschafts- und Technologiemedien