Am 9. Oktober 2022 wurde vom NASA-Satelliten Swift ein Blitz hochintensiver Gammastrahlung entdeckt, der aus einer 1,9 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie stammte. GRB 221009A, auch „BOOT“ genannt – das „hellste aller Zeiten“ – war so außergewöhnlich stark, dass es tatsächlich Schockwellen durch die Ionosphäre der Erde, die äußere Schicht der Atmosphäre unseres Planeten, sandte.
„Wenn es viel näher passiert wäre, wäre es wirklich schlimm gewesen“, sagt Brendan O’Connor, ein Astronom von der George Washington University.
Ein „langer“ GRB (was bedeutet, dass der Gammastrahlenausbruch mehrere Minuten dauern kann) dieser Art ist typischerweise das Ergebnis des Todes eines massereichen Sterns mit der 8- bis 30-fachen Masse unserer Sonne. Wenn ihm in seinem Kern der Treibstoff ausgeht, zieht er sich zusammen und kollabiert dann, um entweder einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch zu bilden. Dabei brechen die äußeren Schichten des Sterns um ihn herum zusammen und bilden eine wirbelnde Gasscheibe, die dann von starken Magnetfeldern nach oben fegt und in zwei heftigen Strahlen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wegstrahlt. Die geladenen Teilchen, die in diesen Jets spiralförmig um die Magnetfelder kreisen, setzen Gammastrahlen frei.
Während die meisten GRBs dieser Art viel weiter entfernt stattfinden, hat die relative Nähe von GRB 221009A den Astronomen einen beispiellosen Einblick in seine zentrale Maschine ermöglicht. Tatsächlich ist die Kombination aus intensiver Helligkeit und Nähe so selten, dass Astronomen im Durchschnitt erst in weiteren 1.000 Jahren damit rechnen, einen weiteren GRB dieser Art zu sehen.
„Wir wussten, dass wir diese Gelegenheit wahrscheinlich nie wieder bekommen würden“, sagt Gokul Srinivasaragavan, ein Ph.D. Student an der University of Maryland.
Mit dem Gemini-South-Teleskop, einer Hälfte des Internationalen Gemini-Observatoriums, das vom NOIRLab der NSF betrieben wird, beobachteten die Autoren zweier Artikel über diese Entdeckung, O’Connor und Srinivasaragavan, die mit GRB 221009A verbundene Explosion.
Ein Artikel, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritteuntersucht den „Öffnungswinkel“ des GRB-Jets, der Aufschluss über den Prozess geben kann, der die Gammastrahlen aussendet. Der zweite Artikel, veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe beschreibt die Suche nach dem optischen Gegenstück des GRB – einer Supernova.
Typischerweise sind die Gammastrahlenstrahlen eines GRB ziemlich schmal, was bedeutet, dass vergleichsweise wenige auf uns gerichtet sind. Dies begrenzt die Anzahl der GRBs, die wir erkennen können. Wenn sie nicht grob auf uns gerichtet sind, können wir sie nicht erkennen.
Dieser enge Öffnungswinkel ist das Ergebnis der eng gewundenen Magnetfelder, die den Teilchenstrahl einschränken. GRB 221009A war jedoch anders. Mit dem Multi-Object Spectrograph (GMOS)-Instrument von Gemini South stellte O’Connors Team fest, dass der Jet von GRB 221009A eine Form aufwies, die in den Jets anderer Gammastrahlenausbrüche nicht beobachtet wurde.
Der Jet wies einen schmalen Kern auf, der von breiten, schrägen Flügeln umgeben war. Diese Merkmale werden im Allgemeinen nicht beobachtet, was rätselhaft ist, denn wenn diese flügelförmigen Jets häufig vorkommen würden, würden Astronomen davon ausgehen, dass sie inzwischen mehr davon entdeckt haben. Stattdessen müssen diese breiten Flügel sehr selten sein, genauso selten wie GRB 221009A hell ist.
„In diesen breiten Jets muss etwas sein, das nur bei extrem leistungsstarken GRBs zu finden ist“, sagt O’Connor. „Diese besondere Form des Strahls könnte das Kennzeichen der heftigsten Explosionen sein und erklärt, warum wir sein optisches und infrarotes Leuchten noch Monate nach der Explosion sahen.“
Apropos optisches Leuchten: Srinivasaragavan leitete die Suche nach der begleitenden Supernova – dem sichtbaren Licht der Sternexplosion. Mithilfe von Gemini South sowie dem GROWTH-India Telescope, dem Lowell Discovery Telescope in Arizona und dem Liverpool Telescope auf Teneriffa (Spanien) konnte Srinivasaragavans Gruppe Hinweise auf die Supernova finden, die heute als SN 2022xiw bekannt ist.
Die Supernova SN 2022xiw erwies sich als überraschend enttäuschend und nicht anders als andere Supernovae.
„Wir haben herausgefunden, dass die mit GRB 221009A verbundene Kernkollaps-Supernova nicht energiereicher oder heller ist als die anderen, die mit langen Gammastrahlenausbrüchen in Verbindung gebracht wurden, die zuvor untersucht wurden“, sagt Srinivasaragavan. „Dies widerspricht unseren naiven Erwartungen, dass ein stärkerer langer Gammastrahlenausbruch zu einer stärkeren Kernkollaps-Supernova führen wird.“
Aus der Helligkeit der Supernova errechneten Srinivasaragavan und O’Connor, dass zwischen 3,5 und 11,1 Sonnenmassen an Material durch die Sternexplosion ausgestoßen wurden. Das sind bis zu 11 Sonnen an Material, das in nur wenigen Sekunden weggeblasen wird, und in dieser Zeit wird mehr Energie freigesetzt, als die Sonne in ihrem gesamten Leben produzieren kann.
Die Details, mit denen Astronomen GRB 221009A beobachten konnten, werden den Weg für ein besseres Verständnis des Mechanismus ebnen, der einen langen GRB erzeugt, wenn ein massereicher Stern sein Leben beendet. Es könnte auch zu einer Art „Rosetta-Stein“ für künftige ultrahelle GRBs werden, die in größeren Entfernungen beobachtet werden.
Bis dahin bedeutet die Seltenheit von GRB 221009A, dass es lange in Erinnerung bleiben wird, sagt Srinivasaragavan. „Für die gesamte astrophysikalische Gemeinschaft war es eines der aufregendsten Ereignisse der letzten Zeit.“
Mehr Informationen:
Brendan O’Connor et al., Ein strukturierter Jet erklärt den extremen GRB 221009A, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi1405
Gokul P. Srinivasaragavan et al., Eine sensible Suche nach Supernovaemissionen im Zusammenhang mit dem extrem energiereichen und nahegelegenen GRB 221009A, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/accf97