Am Sonntag, dem 9. Oktober 2022, fegte ein Puls intensiver Strahlung durch das Sonnensystem, der so außergewöhnlich war, dass Astronomen ihn schnell das BOOT nannten – das hellste aller Zeiten.
Die Quelle war ein Gammastrahlenausbruch (GRB), die stärkste Klasse von Explosionen im Universum.
Der Ausbruch löste Detektoren auf zahlreichen Raumfahrzeugen aus, und Observatorien auf der ganzen Welt folgten. Nachdem sie all diese Daten durchkämmt haben, können Astronomen nun charakterisieren, wie hell es war, und seine wissenschaftlichen Auswirkungen besser verstehen.
„GRB 221009A war wahrscheinlich der hellste Ausbruch bei Röntgen- und Gammastrahlenenergie seit Beginn der menschlichen Zivilisation“, sagte Eric Burns, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Louisiana State University in Baton Rouge. Er führte eine Analyse von rund 7.000 GRBs durch, die größtenteils vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA und dem russischen Konus-Instrument auf der NASA-Raumsonde Wind entdeckt wurden, um festzustellen, wie häufig Ereignisse dieser Helligkeit auftreten können. Ihre Antwort: einmal in 10.000 Jahren.
Der Ausbruch war so hell, dass er die meisten Gammastrahleninstrumente im Weltraum effektiv blendete, was bedeutet, dass sie die tatsächliche Intensität der Emission nicht direkt aufzeichnen konnten. US-Wissenschaftler konnten diese Information aus den Fermi-Daten rekonstruieren. Anschließend verglichen sie die Ergebnisse mit denen des russischen Teams, das an Konus-Daten arbeitet, und chinesischen Teams, die Beobachtungen des GECAM-C-Detektors auf ihrem SATech-01-Satelliten und Instrumenten auf ihrem Insight-HXMT-Observatorium analysierten. Zusammen beweisen sie, dass die Explosion 70-mal heller war als alle bisher gesehenen.
Gammablitze sind die hellsten Explosionen im Kosmos. Astronomen glauben, dass die meisten auftreten, wenn der Kern eines massereichen Sterns keinen Kernbrennstoff mehr hat, unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht und ein Schwarzes Loch bildet, wie in dieser Animation dargestellt. Das Schwarze Loch treibt dann Partikeljets an, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den kollabierenden Stern bohren. Diese Jets durchdringen den Stern und senden Röntgen- und Gammastrahlen (Magenta) aus, wenn sie in den Weltraum strömen. Sie pflügen dann in das Material, das den dem Untergang geweihten Stern umgibt, und erzeugen ein Nachleuchten mit mehreren Wellenlängen, das allmählich verblasst. Je näher wir einen dieser Jets frontal betrachten, desto heller erscheint er. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Burns und andere Wissenschaftler präsentierten neue Erkenntnisse über das BOOT auf dem Treffen der High Energy Astrophysics Division der American Astronomical Society in Waikoloa, Hawaii. Beobachtungen des Ausbruchs umfassen das gesamte Spektrum, von Radiowellen bis zu Gammastrahlen, und umfassen Daten von vielen NASA- und Partnermissionen, darunter das NICER-Röntgenteleskop auf der Internationalen Raumstation, das NuSTAR-Observatorium der NASA und sogar Voyager 1 im interstellaren Raum. Artikel, die die vorgestellten Ergebnisse beschreiben, erscheinen in a Schwerpunktausgabe von Die Briefe des astrophysikalischen Journals.
Das Signal von GRB 221009A war etwa 1,9 Milliarden Jahre unterwegs, bevor es die Erde erreichte, und gehört damit zu den am nächsten bekannten „langen“ GRBs, deren anfängliche oder sofortige Emission länger als zwei Sekunden dauert. Astronomen glauben, dass diese Ausbrüche die Geburtsschreie von Schwarzen Löchern darstellen, die entstehen, wenn die Kerne massereicher Sterne unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen. Während es die umgebende Materie schnell aufnimmt, stößt das Schwarze Loch Jets in entgegengesetzte Richtungen aus, die Partikel enthalten, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden. Diese Jets durchdringen den Stern und senden Röntgen- und Gammastrahlen aus, wenn sie in den Weltraum strömen.
Bei dieser Art von GRB erwarten Astronomen, einige Wochen später eine aufhellende Supernova zu finden, aber bisher hat sie sich als schwer fassbar erwiesen. Ein Grund dafür ist, dass der GRB in einem Teil des Himmels erschien, der nur wenige Grad über der Ebene unserer eigenen Galaxie liegt, wo dicke Staubwolken das einfallende Licht stark dämpfen können.
Die Wide Field Camera 3 des Hubble-Weltraumteleskops zeigte das Infrarot-Nachleuchten (eingekreist) des BOAT GRB und seiner Wirtsgalaxie, das fast von der Seite als ein Lichtstreifen zu sehen ist, der sich bis zur rechten oberen Ecke des Ausbruchs erstreckt. Diese Animation wechselt zwischen Bildern, die am 8. November und 4. Dezember 2022 aufgenommen wurden, ein und zwei Monate nach dem Ausbruch. Aufgrund seiner Helligkeit kann das Nachleuchten des Ausbruchs mehrere Jahre lang mit Teleskopen erkennbar bleiben. Jedes Bild kombiniert drei Nahinfrarotbilder, die bei Wellenlängen von 1 bis 1,5 Mikrometern aufgenommen wurden, und hat einen Durchmesser von 34 Bogensekunden. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University); Bildbearbeitung: Gladys Kober
„Wir können nicht schlüssig sagen, dass es eine Supernova gibt, was angesichts der Helligkeit des Ausbruchs überraschend ist“, sagte Andrew Levan, Professor für Astrophysik an der Radboud-Universität in Nijmegen, Niederlande. Da Staubwolken bei infraroten Wellenlängen transparenter werden, führte Levan Beobachtungen im nahen und mittleren Infrarot mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA – seinem ersten Einsatz für diese Art von Studie – sowie dem Hubble-Weltraumteleskop durch, um die Supernova zu entdecken. „Wenn es da ist, ist es sehr schwach. Wir planen, weiter zu suchen“, fügte er hinzu, „aber es ist möglich, dass der gesamte Stern direkt in das Schwarze Loch einstürzte, anstatt zu explodieren.“ Weitere Webb- und Hubble-Beobachtungen sind in den nächsten Monaten geplant.
Während sich die Jets weiter in das Material ausdehnen, das den dem Untergang geweihten Stern umgibt, erzeugen sie ein Nachleuchten mit mehreren Wellenlängen, das allmählich verblasst.
„Da dieser Ausbruch so nah und so hell war, bot er uns eine beispiellose Gelegenheit, Beobachtungen des Nachglühens über das elektromagnetische Spektrum zu sammeln und zu testen, wie gut unsere Modelle widerspiegeln, was wirklich in GRB-Jets passiert“, sagte Kate Alexander, Assistenzprofessorin an der Institut für Astronomie an der University of Arizona in Tucson. „Fünfundzwanzig Jahre Nachleuchtmodelle, die sehr gut funktioniert haben, können diesen Jet nicht vollständig erklären“, sagte sie. „Insbesondere haben wir eine neue Funkkomponente gefunden, die wir nicht vollständig verstehen. Dies könnte auf zusätzliche Strukturen innerhalb des Jets hinweisen oder auf die Notwendigkeit hindeuten, unsere Modelle zu überarbeiten, wie GRB-Jets mit ihrer Umgebung interagieren.“
Die Düsen selbst waren nicht ungewöhnlich stark, aber sie waren außergewöhnlich eng – ähnlich wie die Düseneinstellung eines Gartenschlauchs – und einer war direkt auf uns gerichtet, erklärte Alexander. Je näher wir einen Jet frontal betrachten, desto heller erscheint er. Obwohl das Nachleuchten bei Radioenergien unerwartet schwach war, ist es wahrscheinlich, dass GRB 221009A jahrelang nachweisbar bleiben wird, was eine neuartige Gelegenheit bietet, den gesamten Lebenszyklus eines leistungsstarken Jets zu verfolgen.
Röntgenstrahlen des ersten Blitzes von GRB 221009A konnten wochenlang nachgewiesen werden, als Staub in unserer Galaxie das Licht zu uns zurückstreute. Dies führte zum Erscheinen eines außergewöhnlichen Satzes expandierender Ringe. Bilder, die über 12 Tage vom Röntgenteleskop an Bord des Neil-Gehrels-Swift-Observatoriums der NASA aufgenommen wurden, wurden zu diesem Film kombiniert, der hier in beliebigen Farben gezeigt wird. Bildnachweis: NASA/Swift/A. Beardmore (Universität Leicester)
Der Ausbruch ermöglichte es den Astronomen auch, entfernte Staubwolken in unserer eigenen Galaxie zu untersuchen. Als die prompten Röntgenstrahlen auf uns zukamen, wurden einige von ihnen von Staubschichten reflektiert und erzeugten ausgedehnte „Lichtechos“ der anfänglichen Explosion in Form von Röntgenringen, die sich vom Ort der Explosion aus ausbreiteten. Das Röntgenteleskop am Neil Gehrels Swift Observatory der NASA entdeckte das Vorhandensein einer Reihe von Echos. Eine detaillierte Nachverfolgung durch das XMM-Newton-Teleskop der ESA (der Europäischen Weltraumorganisation) ergab zusammen mit Swift-Daten, dass diese außergewöhnlichen Ringe von 21 unterschiedlichen Staubwolken erzeugt wurden.
„Wie Staubwolken Röntgenstrahlen streuen, hängt von ihren Entfernungen, der Größe der Staubkörner und der Röntgenenergie ab“, erklärte Sergio Campana, Forschungsdirektor am Brera-Observatorium und am Nationalen Institut für Astrophysik in Merate, Italien. „Mit den Ringen konnten wir einen Teil der prompten Röntgenemission des Ausbruchs rekonstruieren und bestimmen, wo in unserer Galaxie sich die Staubwolken befinden.“
GRB 221009A ist erst der siebte Gammastrahlenausbruch, der Röntgenringe zeigt, und er verdreifacht die zuvor gesehene Zahl um einen. Die Echos stammten von Staub, der zwischen 700 und 61.000 Lichtjahre entfernt war. Die entferntesten Echos – deutlich auf der anderen Seite unserer Milchstraße – befanden sich ebenfalls 4.600 Lichtjahre über der Zentralebene der Galaxie, wo sich das Sonnensystem befindet.
Schließlich bietet der Ausbruch die Gelegenheit, eine große kosmische Frage zu untersuchen. „Wir betrachten Schwarze Löcher als alles verzehrende Dinge, aber geben sie auch Energie an das Universum zurück?“ fragte Michela Negro, eine Astrophysikerin an der University of Maryland, Baltimore County, und dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt.
Ihr Team war in der Lage, die Staubringe mit dem Imaging X-ray Polarimetry Explorer der NASA zu untersuchen, um einen Blick darauf zu werfen, wie die prompte Emission organisiert war, was Einblicke in die Entstehung der Jets geben kann. Darüber hinaus bestätigt eine geringe Polarisation, die in der Nachleuchtphase beobachtet wurde, dass wir den Jet fast direkt frontal betrachtet haben.
Zusammen mit ähnlichen Messungen, die derzeit von einem Team unter Verwendung von Daten des INTEGRAL-Observatoriums der ESA untersucht werden, sagen Wissenschaftler, dass es möglich sein könnte zu beweisen, dass die Jets des BOOTES angetrieben wurden, indem die Energie eines Magnetfelds angezapft wurde, das durch die Drehung des Schwarzen Lochs verstärkt wurde. Auf solchen Modellen basierende Vorhersagen haben bereits erfolgreich andere Aspekte dieses Ausbruchs erklärt.
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Fokusproblem: Die Briefe des astrophysikalischen Journals (2023). iopscience.iop.org/collections … leuchtend-GRB-221009A