Oddball Gamma-Ray Burst erzwingt eine Revision des theoretischen Rahmens

Die Mysterien des Kosmos versetzen Astronomen immer wieder in Erstaunen, und jede neue Beobachtung bietet die Chance, unser Verständnis des Universums zu vertiefen – oder auf den Kopf zu stellen.

In der Ausgabe vom 7. Dezember der Zeitschrift Natur, berichtet ein internationales Team von Astrophysikern über die Entdeckung eines einzigartigen kosmologischen Gammastrahlenausbruchs (GRB), der den vorherrschenden Theorien über die Entstehung heftiger kosmischer Explosionen widerspricht. Dieser „komische“ Ausbruch veranlasste das Team, ein neues Modell oder eine neue Quelle für bestimmte Arten von GRBs vorzuschlagen.

Gammablitze sind die hellsten und heftigsten Explosionen im Universum. Sie bedeuten den Tod von Sternen oder Kollisionen von Sternenresten. Beobachtete GRBs werden typischerweise in zwei Kategorien eingeteilt: Kurz- oder Langzeit-GRBs. Lange GRBs entstehen durch den Tod massereicher Sterne und sind typischerweise mit hellen optischen Transienten namens Supernovae verbunden. Kurze GRBs haben eine Dauer von weniger als zwei Sekunden und stammen von der Kollision zweier Neutronensterne oder eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs und sind typischerweise mit schwächeren optischen Transienten verbunden, die als Kilonovae bekannt sind.

Jahrzehntelang haben sich GRBs gut in diese gemütlichen Kategorien eingebettet. Bis jetzt.

Am 11. Dezember 2021 löste ein GRB mehrere Gammastrahlendetektoren im Weltraum aus, darunter das Fermi-Gammastrahlenteleskop der NASA und das Neil Gehrels Swift Observatory. Dieser Burst mit einer Dauer von fast 70 Sekunden würde typischerweise als ein normal langer GRB angesehen werden. Das heißt, bis mehrere Teams aus den USA und Europa Folgebeobachtungen durchführten und eine überraschende Signatur entdeckten.

„Dieses GRB umfasst zwei Teile: eine 13 Sekunden lange harte Spitze und eine 55 Sekunden lange weichere verlängerte Emission“, sagte UNLV-Alumnus und korrespondierender Autor der Studie, Bin-Bin Zhang, der derzeit an der chinesischen Nanjing-Universität arbeitet. „Die Dauer des 13-Sekunden-Hard-Spikes hätte diesen Burst vollständig aus der kurzen GRB-Kategorie ausschließen müssen.“

Mit anderen Worten, anstatt wie erwartet eine viel hellere Supernova zu zeigen, stimmte die Beobachtung mit einer Kilonova überein, die eher mit einem kurzen GRB assoziiert ist.

„Ein solch merkwürdiger GRB war der erste seiner Art, der jemals entdeckt wurde“, sagte UNLV-Astrophysikprofessor Bing Zhang, Co-Korrespondenzautor der Natur Papier. „Diese Entdeckung hat nicht nur unser Verständnis der GRB-Ursprünge in Frage gestellt, sondern erfordert auch, dass wir ein neues Modell für die Bildung einiger GRBs in Betracht ziehen.“

Das Forschungsteam glaubt, dass dieser einzigartige GRB, bekannt als GRB 211211A, wahrscheinlich durch die Kollision zwischen einem Neutronenstern und einem Weißen Zwerg entstanden ist, was als WD-NS-Fusion bekannt ist.

Weiße Zwerge sind erdgroße Objekte, die aus dem Tod von massearmen Sternen entstehen – solchen mit einer Masse, die kleiner ist als die von etwa acht unserer Sonnen. Neutronensterne entstehen, wenn massereichere Sterne mit einer Masse zwischen etwa acht und 20 Sonnen absterben. Wenn noch größere Sterne sterben, bilden sie direkt schwarze Löcher.

Massereiche Sterne mit geringer Dichte erzeugen GRBs mit langer Dauer, während Sterne mit hoher Dichte, einschließlich Neutronensterne, GRBs mit kurzer Dauer erzeugen. Laut Zhang von UNLV haben Weiße Zwerge mittlere Dichten, was sie zu idealen Ursprüngen für den 2021 entdeckten GRB-Typ macht, da er eine mittellange Dauer aufweist, ohne dass ein massereicher Stern beteiligt ist.

„Trotz der relativ großen Anzahl von GRBs, die jedes Jahr beobachtet werden, hat die einzigartige Signatur von GRB 211211A die Grenzen unserer derzeitigen kategorialen Systeme überschritten und erforderte eine neue Denkweise“, sagte Zhang. „Nach sorgfältiger Prüfung war das einzig sinnvolle Verschmelzungsszenario das eines Weißen Zwergs und eines Neutronensterns.“

Der UNLV-Doktorand Shunke Ai und ein Student der Universität Nanjing arbeiteten zusammen, um ein detailliertes Modell zu entwickeln, um die eigentümliche Kilonova-Signatur zu interpretieren, die von GRB 211211A beobachtet wird. Ai fand heraus, dass, wenn eine WD-NS-Fusion einen schnell rotierenden Neutronenstern hinterlässt, der als Magnetar bekannt ist, die zusätzliche Energieinjektion des Magnetars in Kombination mit der nuklearen Reaktionsenergie des während des Ausbruchs geschleuderten Materials die beobachtete Kilonova-Emission erklären kann GRB 211211A.

Die Studium, „Ein lang andauernder Gammastrahlenausbruch mit einem eigentümlichen Ursprung“, erschien am 7. Dezember in der Zeitschrift Natur. Das Papier umfasst 10 Co-Autoren von 4 Institutionen, wobei UNLV und die Universität Nanjing die federführenden Institutionen sind. In derselben Ausgabe erscheinen drei parallele Artikel, die über die Entdeckung der Kilonova berichten. Dieses Papier konzentriert sich auf die eigentümliche Gammastrahlenemission selbst und schlägt das WD-NS-Fusionsmodell vor, um die Daten zu interpretieren.