Das erste JWST-Spektrum des Nachleuchtens von GRB 221009A

Gammastrahlenausbrüche sind die energiereichsten und leuchtendsten Ereignisse, die bekanntermaßen im Universum auftreten. Kurzlebige Blitze von Gammastrahlen, die typischerweise zwischen einer Zehntelsekunde und weniger als einer Stunde andauern, können für kurze Zeit ganze Galaxien überstrahlen. Es wird angenommen, dass die Explosionen durch den Kollaps massereicher Sterne, die Kollision von Neutronensternen oder die Verschmelzung eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs verursacht werden.

Obwohl wir seit 60 Jahren von ihrer Existenz wissen, gibt es noch viel über diese faszinierenden Ereignisse zu lernen. Sie sind nicht nur vorübergehend und treten an zufälligen Orten am Himmel auf; Gammastrahlen werden auch größtenteils von unserer Atmosphäre absorbiert, was ihre Erkennung von der Erde aus erschwert.

Um sie aufzuspüren, verwenden Wissenschaftler daher weltraumgestützte Gammastrahlen-Teleskope, die bei Auslösung automatische Sofortnachrichten an die Erde senden. Dies ermöglicht den Astronomen, die Detektionen mit erdgestützten Teleskopen weiterzuverfolgen, um nach einem weniger energiereichen „Nachglühen“ zu suchen, das oft den Gammastrahlen folgt.

Eine ganze Galaxie in den Schatten stellen

Am 9. Oktober 2022 entdeckten die ESA-Satelliten INTEGRAL, die NASA-Satelliten Swift und Fermi sowie andere Weltraumobservatorien den Gammastrahlenausbruch, der dementsprechend den Namen GRB 221009A erhielt. Dies veranlasste Daniele Bjørn Malesani, Astronom an der Radboud-Universität in den Niederlanden und assoziierter Wissenschaftler am Cosmic Dawn Center, das Very Large Telescope (VLT) in Chile auf GRB 221009A auszurichten.

Unter Verwendung des am VLT montierten X-Shooter-Spektrographen ermöglichte das resultierende Spektrum Malesani und seinem Team, die genaue Entfernung zu GRB 221009A zu messen. Obwohl sich herausstellte, dass die Wirtsgalaxie des Ausbruchs mehr als zwei Milliarden Lichtjahre entfernt liegt, ist sie damit tatsächlich einer der am nächsten gelegenen Ausbrüche. Darüber hinaus konnte das Team aus sicherer Entfernung auch die Gesamtenergiemenge berechnen, die durch den Ausbruch freigesetzt wurde.

„Gammastrahlenausbrüche sind immer energiereich, aber dieser hier war absolut erstaunlich: GRB 221009A setzte in den 290 Sekunden, die er dauerte, etwa 1.000 Mal so viel Energie frei, wie unsere Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer von 4,5 Milliarden Jahren abgegeben hat“, sagt sie Malesani.

Anders ausgedrückt: Der Ausbruch war für einen kurzen Zeitraum heller als das kombinierte Licht aller Hunderte von Milliarden Sternen in der Milchstraße.

Wie üblich geht diese Berechnung davon aus, dass GRB 221009A in alle Richtungen die gleiche Energiemenge abgegeben hat. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass sich die Energie in einem schmalen Strahl „konzentriert“, in dessen Richtung wir gerade liegen. Die Gesamtenergie ist daher etwas kleiner, aber immer noch extrem hoch.

Und auf jeden Fall ist es der energiereichste Gammastrahlenausbruch, der jemals entdeckt wurde, 70-mal heller als je zuvor. Es war sogar Berichten zufolge die Ionosphäre der Erde beeinflussen.

„Theoretisch würden wir erwarten, dass ein solch gewaltiges Ereignis nur einmal in 10.000 Jahren stattfindet“, erklärt Malesani. „Daher fragen wir uns, ob unsere Entdeckung nur reines Glück ist oder ob wir etwas über die Natur von Gammastrahlenausbrüchen missverstehen.“

Gefolgt vom James Webb Space Telescope

GRB 221009A wurde auch mit dem James-Webb-Weltraumteleskop bei längeren Wellenlängen verfolgt. Diese Beobachtungen wurden von Andrew Levan, ebenfalls an der Radboud University, geleitet, obwohl auch Malesani und andere DAWNer Teil des Teams waren.

Diese Beobachtung ermöglichte es den Astronomen, den Gammastrahlenausbruch weiter zu charakterisieren. Das James-Webb-Teleskop war besonders nützlich, weil der Ausbruch durch einen unglücklichen Zufall hinter einer dicken Schicht kosmischen Staubs in der Milchstraße liegt. Dies hat nichts mit dem Burst selbst zu tun, erschwert jedoch die Interpretation der Ergebnisse, da es das Licht des Bursts dämpft. Webb betrachtete das Nachleuchten im mittleren Infrarot, das viel weniger von Staub beeinflusst wird und eine bessere Sicht auf das Ereignis bietet.

Sogar Webb hat Mängel

Kasper Heintz, Assistenzprofessor am Cosmic Dawn Center, war an beiden Studien beteiligt. Er erklärt: „Es wird erwartet, dass Gammastrahlenausbrüche wie GRB 221009A zusammen mit einer Supernova explodieren, deren Licht zum Ausbruch selbst ‚hinzufügen‘ sollte. Aber für diesen Ausbruch konnte es trotz Webbs riesigem Spiegel keinen überzeugenden Beweis für eine helle Supernova finden .“

War die Supernova also nur schwächer als normal oder fehlte sie ganz? Die Jury steht noch aus und es gibt noch mehr Überraschungen bei diesem einmaligen mysteriösen Ereignis.

Dieses Video zeigt eine Folge von Bildern, die mit dem Very Large Telescope der ESO im optischen Licht aufgenommen wurden und den verblassenden Gammastrahlenausbruch GRB 221009A zeigen.

Die rätselhaften Gammablitze

Gammastrahlenausbrüche wurden erstmals 1967 vom Vela-Satelliten entdeckt, der gebaut wurde, um den Himmel auf mögliche Tests von Atomwaffen zu überwachen, was eine Verletzung des Atomtestverbotsvertrags von 1963 darstellen würde. Zuerst wurde angenommen, dass sie aus nahegelegenen Quellen innerhalb unserer eigenen Galaxie stammen, doch empfindlichere Weltraumobservatorien zeigten in den 1990er Jahren, dass sie von weit außerhalb der Milchstraße kommen müssen, verteilt über das gesamte Universum.

Die vorübergehende Natur der Ausbrüche erschwerte ihre Untersuchung, aber seit den späten 1990er Jahren konnten Astronomen auch ihr weniger energiereiches Nachglühen von Röntgenstrahlen über optisches Licht bis hin zum Infrarot erkennen und so dazu beitragen, eine Theorie ihres Ursprungs aufzustellen.

Die Forschungsarbeit wurde zur Veröffentlichung angenommen in Die Briefe des astrophysikalischen Journals Und Astronomie & Astrophysik.