Am 9. Oktober 2022 fegte ein intensiver Gammastrahlenpuls durch unser Sonnensystem, überwältigte Gammastrahlendetektoren auf zahlreichen umlaufenden Satelliten und schickte Astronomen auf eine Jagd, um das Ereignis mit den leistungsstärksten Teleskopen der Welt zu untersuchen.
Die neue Quelle, die wegen ihres Entdeckungsdatums GRB 221009A genannt wurde, stellte sich als der hellste jemals aufgezeichnete Gammastrahlenausbruch (GRB) heraus.
In einer neuen Studie, die heute in erscheint Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe, Beobachtungen von GRB 221009A, die von Radiowellen bis zu Gammastrahlen reichen, einschließlich kritischer Millimeterwellenbeobachtungen mit dem Center for Astrophysics | Das Submillimeter Array (SMA) von Harvard & Smithsonian auf Hawaii wirft ein neues Licht auf die jahrzehntelange Suche nach dem Ursprung dieser extremen kosmischen Explosionen. Diese Studie ist Teil einer Reihe von Entdeckungen, die als Sammlung in veröffentlicht werden sollen Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe.
Die Gammastrahlenemission von GRB 221009A dauerte über 300 Sekunden. Astronomen glauben, dass solche „Langzeit“-GRBs der Geburtsschrei eines Schwarzen Lochs sind, das entsteht, wenn der Kern eines massiven und sich schnell drehenden Sterns unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht. Das neugeborene Schwarze Loch schleudert mit nahezu Lichtgeschwindigkeit mächtige Plasmastrahlen aus, die den kollabierenden Stern durchdringen und in Gammastrahlen leuchten.
Da GRB 221009A der hellste Ausbruch war, der jemals aufgezeichnet wurde, lag ein echtes Rätsel darin, was nach dem ersten Ausbruch von Gammastrahlen kommen würde. „Wenn die Jets in das Gas einschlagen, das den sterbenden Stern umgibt, erzeugen sie ein helles ‚Nachglühen‘ von Licht über das gesamte Spektrum“, sagt Tanmoy Laskar, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Universität von Utah und Hauptautor der Studie. „Das Nachleuchten verblasst ziemlich schnell, was bedeutet, dass wir schnell und flink sein müssen, um das Licht einzufangen, bevor es verschwindet, und seine Geheimnisse mitzunehmen.“
Als Teil einer Kampagne zur Verwendung der weltbesten Radio- und Millimeterteleskope zur Untersuchung des Nachleuchtens von GRB 221009A sammelten die Astronomen Edo Berger und Yvette Cendes vom Center for Astrophysics (CfA) schnell Daten mit dem SMA.
„Dieser Ausbruch, der so hell war, bot eine einzigartige Gelegenheit, das detaillierte Verhalten und die Entwicklung eines Nachleuchtens mit beispiellosen Details zu untersuchen – das wollten wir uns nicht entgehen lassen“, sagt Edo Berger, Professor für Astronomie an der Harvard University und dem CfA. „Ich studiere diese Ereignisse seit mehr als zwanzig Jahren, und dieses war so aufregend wie das erste GRB, das ich je beobachtet habe.“
„Dank seiner schnellen Reaktionsfähigkeit konnten wir den SMA schnell auf den Standort von GRB 221009A ausrichten“, sagt SMA-Projektwissenschaftler und CfA-Forscher Garrett Keating. „Das Team war begeistert zu sehen, wie hell das Nachleuchten dieses GRB war, das wir mehr als 10 Tage lang beobachten konnten, während es verblasste.“
Nach der Analyse und Kombination der Daten des SMA und anderer Teleskope auf der ganzen Welt waren die Astronomen verblüfft: Die Millimeter- und Radiowellenmessungen waren viel heller als aufgrund des sichtbaren Lichts und des Röntgenlichts erwartet.
„Dies ist einer der detailliertesten Datensätze, die wir je gesammelt haben, und es ist klar, dass sich die Millimeter- und Funkdaten einfach nicht wie erwartet verhalten“, sagt CfA-Forschungsmitarbeiterin Yvette Cendes. „Einige GRBs haben in der Vergangenheit einen kurzen Überschuss an Millimeter- und Radioemission gezeigt, von dem angenommen wird, dass er die Signatur einer Schockwelle im Jet selbst ist, aber bei GRB 221009A verhält sich die überschüssige Emission ganz anders als in diesen früheren Fällen.“
Sie fügt hinzu: „Wahrscheinlich haben wir einen völlig neuen Mechanismus entdeckt, um überschüssige Millimeter- und Radiowellen zu erzeugen.“
Eine Möglichkeit, sagt Cendes, ist, dass der von GRB 221009A erzeugte leistungsstarke Jet komplexer ist als in den meisten GRBs. „Es ist möglich, dass das sichtbare Licht und das Röntgenlicht von einem Teil des Jets erzeugt werden, während die frühen Millimeter- und Radiowellen von einer anderen Komponente erzeugt werden.“
„Glücklicherweise ist dieses Nachleuchten so hell, dass wir seine Radioemission noch Monate und vielleicht Jahre lang weiter untersuchen werden“, fügt Berger hinzu. „Mit dieser viel längeren Zeitspanne hoffen wir, den mysteriösen Ursprung der frühen überschüssigen Emission entschlüsseln zu können.“
Unabhängig von den genauen Details dieses speziellen GRB ist die Fähigkeit, mit Millimeterwellenteleskopen schnell auf GRBs und ähnliche Ereignisse zu reagieren, eine wesentliche neue Fähigkeit für Astronomen.
„Eine wichtige Lehre aus diesem GRB ist, dass wir ohne schnell wirkende Radio- und Millimeterteleskope wie das SMA potenzielle Entdeckungen über die extremsten Explosionen im Universum verpassen würden“, sagt Berger. „Wir wissen nie im Voraus, wann solche Ereignisse eintreten werden, also müssen wir so schnell wie möglich reagieren, wenn wir diese Geschenke aus dem Kosmos nutzen wollen.“
Mehr Informationen:
Maia A. Williams et al, GRB 221009A: Entdeckung eines außergewöhnlich seltenen nahen und energetischen Gammastrahlenausbruchs, Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acbcd1. iopscience.iop.org/article/10. … 847/2041-8213/acbcd1
Joe S. Bright et al, Präzise Messungen der selbstabsorbierten steigenden umgekehrten Schockemission von Gamma-ray Burst 221009A, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2303.13583
Zheng-Hua An et al., Insight-HXMT- und GECAM-C-Beobachtungen des hellsten GRB 221009A aller Zeiten, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2303.01203