Wissenschaftler haben mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – einem internationalen Observatorium, das vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) der US-amerikanischen National Science Foundation kooperiert – zum ersten Mal Licht im Millimeterwellenbereich von einer feurigen Explosion aufgezeichnet, die durch die verursacht wurde Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem anderen Stern. Das Team bestätigte auch, dass es sich bei diesem Lichtblitz um einen der energiereichsten kurzzeitigen Gammastrahlenausbrüche handelt, die jemals beobachtet wurden, und hinterließ eines der leuchtendsten Nachglühen, das jemals aufgezeichnet wurde. Die Forschungsergebnisse werden in einer der nächsten Ausgaben von veröffentlicht Die Briefe des astrophysikalischen Journals.
Gammastrahlenausbrüche (GRBs) sind die hellsten und energiereichsten Explosionen im Universum, die in der Lage sind, in Sekundenschnelle mehr Energie abzugeben, als unsere Sonne während ihres gesamten Lebens abgibt. GRB 211106A gehört zu einer GRB-Unterklasse, die als kurzzeitige Gammastrahlenausbrüche bekannt ist. Diese Explosionen – von denen Wissenschaftler glauben, dass sie für die Entstehung der schwersten Elemente im Universum wie Platin und Gold verantwortlich sind – resultieren aus der katastrophalen Verschmelzung von Doppelsternsystemen, die einen Neutronenstern enthalten. „Diese Verschmelzungen erfolgen aufgrund von Gravitationswellenstrahlung, die Energie aus der Umlaufbahn der Doppelsterne entzieht, wodurch die Sterne sich spiralförmig aufeinander zu bewegen“, sagte Tanmoy Laskar, der bald seine Arbeit als Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der aufnehmen wird Universität von Utah. „Die resultierende Explosion wird von Jets begleitet, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn einer dieser Jets auf die Erde gerichtet ist, beobachten wir einen kurzen Puls von Gammastrahlung oder einen kurzzeitigen GRB.“
Im allerersten Zeitrafferfilm eines kurzzeitigen Gammastrahlenausbruchs im Millimeterwellenlicht sehen wir GRB 21106A, aufgenommen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Das hier zu sehende Millimeterlicht zeigt auf Bildern, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden, den Ort des Ereignisses in einer entfernten Wirtsgalaxie an. Die Helligkeitsentwicklung des Millimeterlichts gibt Aufschluss über Energie und Geometrie der bei der Explosion entstehenden Jets. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Laskar (Utah), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)
Ein kurzzeitiger GRB dauert normalerweise nur wenige Zehntelsekunden. Wissenschaftler suchen dann nach einem Nachleuchten, einer Lichtemission, die durch die Wechselwirkung der Jets mit umgebendem Gas verursacht wird. Trotzdem sind sie schwer zu erkennen; nur ein halbes Dutzend Kurzzeit-GRBs wurden bei Radiowellenlängen entdeckt, und bis jetzt war noch keiner bei Millimeterwellenlängen entdeckt worden. Laskar, der die Forschung als Excellence Fellow an der Radboud University in den Niederlanden leitete, sagte, dass die Schwierigkeit in der immensen Entfernung zu GRBs und den technologischen Fähigkeiten von Teleskopen liege. „Kurz andauernde GRB-Nachglühen sind sehr hell und energiereich. Aber diese Explosionen finden in fernen Galaxien statt, was bedeutet, dass das Licht von ihnen für unsere Teleskope auf der Erde ziemlich schwach sein kann. Vor ALMA waren Millimeterteleskope nicht empfindlich genug, um diese Nachglühen zu erkennen. „
GRB 211106A ist ungefähr 20 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und bildet da keine Ausnahme. Das Licht dieses kurzzeitigen Gammastrahlenausbruchs war so schwach, dass frühe Röntgenbeobachtungen mit dem Neil Gehrels Swift Observatory der NASA die Explosion sahen, die Wirtsgalaxie bei dieser Wellenlänge jedoch nicht nachweisbar war und die Wissenschaftler nicht genau bestimmen konnten, wo Die Explosion kam von. „Nachleuchtlicht ist unerlässlich, um herauszufinden, aus welcher Galaxie ein Ausbruch stammt, und um mehr über den Ausbruch selbst zu erfahren. Anfangs, als nur das Röntgengegenstück entdeckt worden war, dachten Astronomen, dass dieser Ausbruch von einer nahe gelegenen Galaxie kommen könnte.“ sagte Laskar und fügte hinzu, dass eine beträchtliche Menge Staub in der Umgebung das Objekt auch bei optischen Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop verdeckte.
Jede Wellenlänge fügte dem Verständnis der Wissenschaftler über den GRB eine neue Dimension hinzu, und insbesondere Millimeter waren entscheidend, um die Wahrheit über den Ausbruch aufzudecken. „Die Hubble-Beobachtungen zeigten ein unveränderliches Feld von Galaxien. Die unvergleichliche Empfindlichkeit von ALMA ermöglichte es uns, die Position des GRB in diesem Feld genauer zu lokalisieren, und es stellte sich heraus, dass es sich in einer anderen schwachen Galaxie befand, die weiter entfernt ist. Das wiederum , bedeutet, dass dieser kurzzeitige Gammastrahlenausbruch noch stärker ist, als wir zunächst dachten, was ihn zu einem der hellsten und energiereichsten aller Zeiten macht“, sagte Laskar.
Wen-fai Fong, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Northwestern University, fügte hinzu: „Dieser kurze Gammastrahlenausbruch war das erste Mal, dass wir versuchten, ein solches Ereignis mit ALMA zu beobachten. Nachleuchten für kurze Ausbrüche sind daher sehr schwer zu bekommen Es war spektakulär, dieses Ereignis so hell leuchtend zu sehen.Nach vielen Jahren der Beobachtung dieser Ausbrüche eröffnet diese überraschende Entdeckung ein neues Forschungsgebiet, da sie uns motiviert, viele weitere davon mit ALMA und anderen Teleskop-Arrays in der zu beobachten Zukunft.“
Joe Pesce, Programmbeauftragter der National Science Foundation für NRAO/ALMA, sagte: „Diese Beobachtungen sind auf vielen Ebenen fantastisch. Sie liefern weitere Informationen, die uns helfen, die rätselhaften Gammastrahlenausbrüche (und die Neutronenstern-Astrophysik im Allgemeinen) zu verstehen, und sie demonstrieren wie wichtig und komplementär Multi-Wellenlängen-Beobachtungen mit weltraum- und bodengestützten Teleskopen für das Verständnis astrophysikalischer Phänomene sind.“
Und es gibt noch viel Arbeit über mehrere Wellenlängen hinweg, sowohl mit neuen GRBs als auch mit GRB 211106A, die zusätzliche Überraschungen bei diesen Ausbrüchen aufdecken könnten. „Die Untersuchung von Kurzzeit-GRBs erfordert die schnelle Koordination von Teleskopen auf der ganzen Welt und im Weltraum, die bei allen Wellenlängen arbeiten“, sagte Edo Berger, Professor für Astronomie an der Harvard University.
„Im Fall von GRB 211106A haben wir einige der leistungsstärksten verfügbaren Teleskope verwendet – ALMA, das Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) der National Science Foundation, das Chandra X-ray Observatory der NASA und das Hubble Space Telescope Mit dem jetzt in Betrieb befindlichen James Webb Space Telescope (JWST) und zukünftigen 20–40-Meter-Optik- und Radioteleskopen wie dem VLA der nächsten Generation (ngVLA) werden wir in der Lage sein, ein vollständiges Bild dieser katastrophalen Ereignisse zu erstellen und sie in beispiellosen Entfernungen zu untersuchen. „
Laskar fügte hinzu: „Mit JWST können wir jetzt ein Spektrum der Wirtsgalaxie aufnehmen und leicht die Entfernung bestimmen, und in Zukunft könnten wir JWST auch verwenden, um Infrarot-Nachglühen zu erfassen und ihre chemische Zusammensetzung zu untersuchen. Mit ngVLA werden wir dazu in der Lage sein um die geometrische Struktur des Nachglühens und des sternbildenden Brennstoffs, der in ihrer Wirtsumgebung gefunden wird, in beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. Ich freue mich über diese bevorstehenden Entdeckungen auf unserem Gebiet.“
Tanmoy Laskar et al., The First Short GRB Millimeter Afterglow: The Wide-Angled Jet of the Extremely Energetic SGRB 211106A. arXiv:2205.03419v2 [astro-ph.HE], arxiv.org/abs/2205.03419