Im Oktober 2022 waren Astronomen erstaunt über das, was schnell als BOAT bezeichnet wurde – der hellste Gammastrahlenausbruch (GRB) aller Zeiten. Nun berichtet ein internationales Wissenschaftsteam, dass Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA ein noch nie zuvor gesehenes Phänomen enthüllen.
„Wenige Minuten nach dem Ausbruch von BOAT zeichnete Fermis Gamma-Ray Burst Monitor einen ungewöhnlichen Energiepeak auf, der unsere Aufmerksamkeit erregte“, sagte die leitende Forscherin Maria Edvige Ravasio von der Radboud-Universität in Nijmegen, Niederlande, die mit dem Brera-Observatorium, einem Teil des INAF (Italienisches Nationalinstitut für Astrophysik) in Merate, Italien, zusammenarbeitet. „Als ich dieses Signal zum ersten Mal sah, bekam ich Gänsehaut. Unsere seitdem durchgeführten Analysen zeigen, dass es sich um die erste hochzuverlässige Emissionslinie handelt, die in 50 Jahren GRB-Studien jemals beobachtet wurde.“
Ein Artikel über die Entdeckung erscheint im Journal Wissenschaft.
Wenn Materie mit Licht interagiert, kann die Energie auf charakteristische Weise absorbiert und wieder abgegeben werden. Diese Interaktionen können bestimmte Farben (oder Energien) aufhellen oder abschwächen und so wichtige Merkmale erzeugen, die sichtbar werden, wenn das Licht regenbogenartig in einem Spektrum verteilt ist. Diese Merkmale können eine Fülle von Informationen preisgeben, beispielsweise die an der Interaktion beteiligten chemischen Elemente. Bei höheren Energien können spektrale Merkmale bestimmte Teilchenprozesse aufdecken, beispielsweise die Vernichtung von Materie und Antimaterie zur Erzeugung von Gammastrahlen.
„Während einige frühere Studien mögliche Hinweise auf Absorptions- und Emissionsmerkmale in anderen GRBs berichteten, ergab eine spätere Untersuchung, dass es sich dabei nur um statistische Schwankungen handeln könnte. Was wir bei BOAT sehen, ist anders“, sagte Co-Autor Om Sharan Salafia vom INAF-Brera-Observatorium in Mailand, Italien. „Wir haben festgestellt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei diesem Merkmal nur um eine Rauschschwankung handelt, weniger als eins zu einer halben Milliarde beträgt.“
Der hellste Gammastrahlenausbruch, der je aufgezeichnet wurde, bot den Wissenschaftlern eine neue hochenergetische Struktur zum Studium. Erfahren Sie, was die Fermi-Mission der NASA gesehen hat und was uns diese Struktur über die Lichtgeschwindigkeitsstrahlen des Ausbruchs verraten könnte. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
GRBs sind die stärksten Explosionen im Kosmos und stoßen große Mengen Gammastrahlen aus, die energiereichste Form des Lichts. Die häufigste Art tritt auf, wenn der Kern eines massereichen Sterns seinen Brennstoff aufgebraucht hat, kollabiert und ein schnell rotierendes schwarzes Loch bildet. In das schwarze Loch einfallende Materie treibt entgegengesetzt gerichtete Partikelstrahlen an, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch die äußeren Schichten des Sterns schießen. Wir erkennen GRBs, wenn einer dieser Strahlen fast direkt auf die Erde zeigt.
BOAT, offiziell als GRB 221009A bekannt, brach am 9. Oktober 2022 aus und überlastete umgehend die meisten Gammastrahlendetektoren im Orbit, darunter auch die auf Fermi. Dies verhinderte, dass sie den intensivsten Teil der Explosion messen konnten. Rekonstruierte Beobachtungen, gepaart mit statistischen Argumenten, legen nahe, dass BOAT, wenn es Teil derselben Population wie zuvor entdeckte GRBs war, wahrscheinlich der hellste Ausbruch war, der seit 10.000 Jahren am Himmel der Erde auftrat.
Die mutmaßliche Emissionslinie erschien fast 5 Minuten, nachdem der Ausbruch entdeckt wurde und lange nachdem er ausreichend abgedunkelt war, um die Sättigungseffekte für Fermi zu beenden. Die Linie blieb mindestens 40 Sekunden bestehen und die Emission erreichte eine Spitzenenergie von etwa 12 MeV (Millionen Elektronenvolt). Zum Vergleich: Die Energie von sichtbarem Licht liegt zwischen 2 und 3 Elektronenvolt.
Was also hat dieses Spektralmuster hervorgebracht? Das Team glaubt, dass die wahrscheinlichste Ursache die Vernichtung von Elektronen und ihren Antimaterie-Gegenstücken, den Positronen, ist.
„Wenn ein Elektron und ein Positron kollidieren, vernichten sie sich und erzeugen ein Paar Gammastrahlen mit einer Energie von 0,511 MeV“, sagte Co-Autor Gor Oganesyan vom Gran Sasso Science Institute und dem Gran Sasso National Laboratory in L’Aquila, Italien. „Da wir in den Jet hineinschauen, wo sich die Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird diese Emission stark blauverschoben und in Richtung viel höherer Energien verschoben.“
Wenn diese Interpretation richtig ist, dann müssten sich die Vernichtungsteilchen mit etwa 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit auf uns zubewegt haben, damit eine Emissionslinie mit einem Maximum von 12 MeV entstehen kann.
„Nach Jahrzehnten des Studiums dieser unglaublichen kosmischen Explosionen verstehen wir immer noch nicht die Details, wie diese Jets funktionieren“, bemerkt Elizabeth Hays, die Fermi-Projektwissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Das Finden von Hinweisen wie dieser bemerkenswerten Emissionslinie wird Wissenschaftlern helfen, diese extreme Umgebung genauer zu untersuchen.“
Mehr Informationen:
Maria Edvige Ravasio et al., Eine Mega-Elektronenvolt-Emissionslinie im Spektrum eines Gammastrahlenausbruchs, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adj3638