Die hellste kosmische Explosion, die jemals entdeckt wurde, hatte weitere einzigartige Merkmale

Oct 10, 2023

Ein Teilchenstrahl durchdringt einen Stern, während dieser während eines typischen Gammastrahlenausbruchs in ein Schwarzes Loch kollabiert, wie im Konzept dieses Künstlers dargestellt. Der durch den Gammastrahlenausbruch 221009A erzeugte Jet wies einige einzigartige Merkmale auf.

Beobachtungen mit dem NuSTAR-Röntgenteleskop der NASA geben Astronomen neue Hinweise auf den hellsten und energiereichsten Gammastrahlenausbruch, der jemals entdeckt wurde.

Als Wissenschaftler am 9. Oktober 2022 den als GRB 221009A bekannten Gammastrahlenausbruch entdeckten, nannten sie ihn den hellsten aller Zeiten, kurz BOAT. Die meisten Gammastrahlenausbrüche treten auf, wenn der Kern eines Sterns, der massereicher als unsere Sonne ist, kollabiert und zu einem Schwarzen Loch wird. Diese Ereignisse setzen regelmäßig in wenigen Minuten so viel Energie frei, wie unsere Sonne in ihrem gesamten Leben freisetzt. Folgestudien zeigten, dass GRB 221009A 70-mal heller und weitaus energiereicher war als der vorherige Rekordhalter. Obwohl die Wissenschaftler noch nicht verstehen, warum, haben sie vom NuSTAR-Observatorium (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) der NASA einen verlockenden Hinweis erhalten.

In einer am 7. Juni in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlichten Studie zeigten Wissenschaftler mithilfe von NuSTAR-Beobachtungen des Ereignisses, wie der kollabierende Stern einen Materialstrahl ausstieß, dessen Form zuvor bei Gammastrahlenausbrüchen nicht beobachtet wurde, sowie andere einzigartige Formen Eigenschaften. Es ist möglich, dass die Ursache dieser Unterschiede der Vorläuferstern ist, dessen physikalische Eigenschaften die Eigenschaften des Ausbruchs beeinflussen könnten. Es ist auch möglich, dass ein völlig anderer Mechanismus die allerhellsten Jets in den Weltraum schleudert.

Die energiereichste Art von Explosion im Universum, ein Gammastrahlenausbruch, kann Milliarden von Lichtjahren entfernt beobachtet werden. GRB 221009A war so hell, dass es bei seiner Entdeckung am 9. Oktober 2022 die meisten Gammastrahleninstrumente im Weltraum blendete.

„Dieses Ereignis war so viel heller und energiereicher als jeder Gammastrahlenausbruch, den wir bisher gesehen haben, es ist nicht einmal annähernd so groß“, sagte Brendan O'Connor, Hauptautor der neuen Studie und Astronom an der George Washington University in Washington. „Als wir dann die NuSTAR-Daten analysierten, stellten wir fest, dass er auch diese einzigartige Jet-Struktur aufweist. Und das war wirklich aufregend, denn wir haben keine Möglichkeit, den Stern zu untersuchen, der dieses Ereignis hervorgerufen hat; er ist jetzt verschwunden. Aber wir haben jetzt welche.“ Daten, die uns Hinweise darauf geben, wie es explodierte.

Das Hubble-Weltraumteleskop hat das Infrarot-Nachleuchten (eingekreist) des als GRB 221009A bekannten Gammastrahlenausbruchs und seiner Muttergalaxie eingefangen. Dieses Komposit enthält Bilder, die am 8. November und 4. Dezember 2022 aufgenommen wurden, etwa ein bzw. zwei Monate nach dem Ausbruch. Das Nachleuchten kann mehrere Jahre lang erkennbar bleiben.

Gammastrahlen sind die energiereichste Form von Licht im Universum, die für das menschliche Auge jedoch unsichtbar ist. Alle bekannten Gammastrahlenausbrüche haben ihren Ursprung in Galaxien außerhalb unserer Milchstraße, sind aber hell genug, um Milliarden von Lichtjahren entfernt entdeckt zu werden. Einige entstehen blitzschnell und dauern weniger als zwei Sekunden, während sogenannte lange Gammastrahlenausbrüche typischerweise eine Minute oder länger Gammastrahlen ausstrahlen. Diese Objekte können wochenlang andere Wellenlängen ausstrahlen.

GRB 221009A, ein langer Gammastrahlenausbruch, war so hell, dass er die meisten Gammastrahleninstrumente im Weltraum blendete. US-Wissenschaftler konnten dieses Ereignis mithilfe von Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA rekonstruieren und seine tatsächliche Helligkeit bestimmen. (Das BOAT wurde auch von den Weltraumteleskopen Hubble und James Webb der NASA, den Raumsonden Wind und Voyager 1 der Agentur sowie dem Solar Orbiter der ESA oder Europäischen Weltraumorganisation entdeckt.)

Ähnlich wie bei anderen Gammastrahlenausbrüchen brach bei GRB 221009A ein Jet aus dem kollabierenden Stern aus, als wäre er aus einem Feuerwehrschlauch ins All geschossen worden, wobei Gammastrahlen vom heißen Gas und den Partikeln im Kern des Jets ausstrahlten. Aber der Jet von GRB 221009A stach in mancherlei Hinsicht heraus. Bei nahezu jedem zuvor beobachteten Gammastrahlenausbruch blieb der Strahl bemerkenswert kompakt und es gab kaum bis gar kein Streulicht oder Material außerhalb des schmalen Strahls. (Tatsächlich sind Gammastrahlenausbrüche so kompakt, dass die Gammastrahlen nur beobachtet werden können, wenn ihre Strahlen fast direkt auf die Erde gerichtet sind.)

Im Gegensatz dazu hatte der Jet in GRB 221009A einen schmalen Kern mit breiteren, schrägen Seiten. Einige der energiereichsten Gammastrahlenjets zeigten ähnliche Eigenschaften, aber der Jet vom BOAT war in einer wichtigen Hinsicht einzigartig: Die Energie des Materials in GRB 221009A variierte ebenfalls, was bedeutete, dass nicht das gesamte Material im Jet die Energie hatte Bei gleicher Energie – wie bei einer einzelnen Kugel, die aus einer Waffe abgefeuert wird – änderte sich die Energie des Materials mit der Entfernung vom Kern des Jets. Dies wurde noch nie zuvor in einem langen Gammastrahlen-Burst-Jet beobachtet.

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„Die einzige Möglichkeit, eine andere Jet-Struktur zu erzeugen und die Energie zu variieren, besteht darin, einige Eigenschaften des explodierten Sterns zu variieren, wie etwa seine Größe, Masse, Dichte oder sein Magnetfeld“, sagte Eleonora Troja, Professorin für Physik an der Universität Rom, der NuSTAR die Beobachtungen des Ereignisses leitete. „Das liegt daran, dass der Jet grundsätzlich seinen Weg aus dem Stern heraus erzwingen muss. So würde beispielsweise die Menge an Widerstand, auf die er trifft, möglicherweise die Eigenschaften des Jets beeinflussen.“

Astronomen können das Licht von Gammastrahlenjets sehen, aber aufgrund der Entfernung können sie Bilder der Jets nicht direkt auflösen. Forscher müssen das Licht dieser Ereignisse interpretieren, um mehr über die physikalischen Eigenschaften weit entfernter Objekte zu erfahren. Es ist so, als würde man Fußspuren im Schnee betrachten und daraus Rückschlüsse auf die körperlichen Merkmale der Person ziehen, die sie hinterlassen hat.

In vielen Fällen kann es mehr als eine mögliche Erklärung für das Licht eines kosmischen Ereignisses geben. Mehr als ein Röntgenteleskop beobachtete GRB 221009A, darunter das Neil Gehrels Swift Observatory und der Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) der NASA sowie das XMM-Newton-Teleskop der ESA. Die NuSTAR-Daten haben dazu beigetragen, diese Möglichkeiten einzugrenzen. Es zeigt, dass der Jet auf seiner Reise in den Weltraum mit dem interstellaren Medium oder dem spärlichen Meer aus Atomen und Teilchen kollidierte, das den Raum zwischen den Sternen füllt. Diese Kollision erzeugte Röntgenstrahlen – Lichtteilchen, die etwas weniger energiereich sind als Gammastrahlen.

„Im Weltraum sind mehrere Röntgenteleskope im Einsatz, jedes mit unterschiedlichen Stärken, die Astronomen helfen können, diese kosmischen Objekte besser zu verstehen“, sagte Daniel Stern, NuSTAR-Projektwissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien.

NuSTAR ist eine Small Explorer-Mission unter der Leitung von Caltech und verwaltet vom JPL für das Science Mission Directorate der NASA in Washington. Sie wurde in Zusammenarbeit mit der Dänischen Technischen Universität und der Italienischen Raumfahrtagentur (ASI) entwickelt. Das Raumschiff wurde von Orbital Sciences Corp. in Dulles, Virginia, gebaut. Das Missionsbetriebszentrum von NuSTAR befindet sich an der University of California, Berkeley, und das offizielle Datenarchiv befindet sich im High Energy Astrophysics Science Archive Research Center der NASA im Goddard Space Flight Center der Agentur in Greenbelt, Maryland. ASI stellt die Bodenstation der Mission und ein Spiegeldatenarchiv zur Verfügung. Caltech verwaltet JPL für die NASA.

Weitere Informationen zur NuSTAR-Mission finden Sie unter:

https://www.nustar.caltech.edu/

Calla Cofield

Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien.

626-808-2469

[email protected]

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