Visning på forreste række afslører en exceptionel kosmisk eksplosion

Forskere har fået det hidtil bedste overblik over de klareste eksplosioner i universet:Et specialiseret observatorium i Namibia har registreret den hidtil mest energiske stråling og længste gammastråle-efterglød af et såkaldt gamma-stråleudbrud (GRB). Observationerne med High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) udfordrer den etablerede idé om, hvordan gammastråler produceres i disse kolossale stjerneeksplosioner, som er fødselsråb af sorte huller, som det internationale hold rapporterer i journalen Videnskab .

"Gammastråleudbrud er lyse røntgen- og gammastråleglimt observeret på himlen, udsendes af fjerne ekstragalaktiske kilder, " forklarer DESY-forsker Sylvia Zhu, en af ​​avisens forfattere. "De er de største eksplosioner i universet og forbundet med kollapset af en hurtigt roterende massiv stjerne til et sort hul. En brøkdel af den frigjorte gravitationsenergi føder produktionen af ​​en ultrarelativistisk eksplosionsbølge. Deres emission er opdelt i to adskilte faser:en indledende kaotisk promptfase, der varer ti sekunder, efterfulgt af en langvarig, jævnt falmende efterglødende fase."

Den 29. august 2019 opdagede satellitterne Fermi og Swift et gammastråleudbrud i stjernebilledet Eridanus. Begivenheden, katalogiseret som GRB 190829A i henhold til datoen for forekomsten, viste sig at være et af de nærmeste gammastråleudbrud, der er observeret indtil videre, med en afstand på omkring en milliard lysår. Til sammenligning:Det typiske gammastråleudbrud er omkring 20 milliarder lysår væk. "Vi sad virkelig på forreste række, da dette gammastråleudbrud skete, " forklarer medforfatter Andrew Taylor fra DESY. Holdet fangede eksplosionens efterglød straks, da den blev synlig for H.E.S.S.-teleskoperne. "Vi kunne observere eftergløden i flere dage og til hidtil usete gammastråleenergier, " rapporterer Taylor.

Den forholdsvis korte afstand til dette gammastråleudbrud tillod detaljerede målinger af efterglødens spektrum, som er fordelingen af ​​"farver, " eller fotonenergier, af strålingen i det meget høje energiområde. "Vi kunne bestemme GRB 190829A's spektrum op til en energi på 3,3 tera-elektronvolt, det er omkring en billion gange så energisk som fotonerne af synligt lys, " forklarer medforfatter Edna Ruiz-Velasco fra Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg. "Dette er det, der er så exceptionelt ved dette gammastråleudbrud - det skete i vores kosmiske baghave, hvor fotoner med meget høj energi ikke blev absorberet i kollisioner med baggrundslys på vej til Jorden, som det sker over større afstande i kosmos."

Holdet kunne følge eftergløden op til tre dage efter den første eksplosion. Resultatet kom som en overraskelse:"Vores observationer afslørede mærkelige ligheder mellem røntgenstrålen og meget højenergi gammastråleemission af udbruddets efterglød, " rapporterer Zhu. Etablerede teorier antager, at de to emissionskomponenter skal produceres af separate mekanismer:røntgenkomponenten stammer fra ultrahurtige elektroner, der afbøjes i de stærke magnetiske felter i burstens omgivelser. Denne "synkrotron"-proces er ganske svarende til, hvordan partikelacceleratorer på Jorden producerer klare røntgenstråler til videnskabelige undersøgelser.

Imidlertid, ifølge eksisterende teorier virkede det meget usandsynligt, at selv de kraftigste eksplosioner i universet kunne accelerere elektroner nok til direkte at producere de observerede meget højenergiske gammastråler. Dette skyldes en "afbrændingsgrænse, " som bestemmes af balancen mellem acceleration og afkøling af partikler i en accelerator. Fremstilling af gammastråler med meget høj energi kræver elektroner med energier langt ud over afbrændingsgrænsen. I stedet gængse teorier antager, at i et gammastråleudbrud, hurtige elektroner kolliderer med synkrotronfotoner og booster dem derved til gammastråleenergier i en proces, der kaldes synkrotron-selv-Compton.

Men observationerne af GRB 190829A's efterglød viser nu, at begge komponenter, røntgen og gammastråler, falmet synkroniseret. Også, gammastrålespektret matchede klart en ekstrapolation af røntgenspektret. Sammen, disse resultater er en stærk indikation af, at røntgenstråler og gammastråler med meget høj energi i denne efterglød blev produceret af den samme mekanisme. "Det er ret uventet at observere sådanne bemærkelsesværdigt ens spektrale og tidsmæssige karakteristika i røntgen- og meget højenergi gammastråleenergibåndene, hvis emissionen i disse to energiområder havde forskellig oprindelse, " siger medforfatter Dmitry Khangulyan fra Rikkyo University i Tokyo. Dette udgør en udfordring for synkrotron-selv-Compton-oprindelsen af ​​den meget højenergi-gamma-stråleemission.

Den vidtrækkende implikation af denne mulighed fremhæver behovet for yderligere undersøgelser af meget højenergi-GRB-efterglødemission. GRB 190829A er kun det fjerde gamma-stråleudbrud, der detekteres fra jorden. Imidlertid, de tidligere opdagede eksplosioner fandt sted meget længere væk i kosmos, og deres efterglød kunne kun observeres i et par timer hver og ikke til energier over 1 tera-elektronvolt (TeV). "Når vi ser på fremtiden, udsigterne for detektering af gammastråleudbrud af næste generations instrumenter som Cherenkov Telescope Array, der i øjeblikket bygges i de chilenske Andesbjerge og på den kanariske ø La Palma, ser lovende ud, " siger H.E.S.S.-talsmand Stefan Wagner fra Landessternwarte Heidelberg. "Den generelle overflod af gammastråleudbrud får os til at forvente, at regelmæssige påvisninger i båndet med meget høj energi vil blive ret almindelige, hjælper os til fuldt ud at forstå deres fysik."