At bryde grænserne:Opdagelse af fotoner med højeste energi fra et gammastråleudbrud

Gammastråleudbrud (GRB'er) er korte og ekstremt kraftige kosmiske eksplosioner, pludselig dukkede op på himlen, cirka en gang om dagen. De menes at være resultatet af sammenbrud af massive stjerner eller sammensmeltning af neutronstjerner i fjerne galakser. De begynder med en initial, meget skarpt blitz, kaldet prompt emission, med en varighed fra en brøkdel af et sekund til hundredvis af sekunder. Den hurtige emission er ledsaget af den såkaldte efterglød, en mindre lysere, men længerevarende emission over en bred vifte af bølgelængder, der falmer med tiden. Den første GRB opdaget af MAGIC-teleskoperne, kendt som GRB 190114C, afslører for første gang de højeste energifotoner målt fra disse objekter.

Denne banebrydende præstation fra MAGIC giver kritisk ny indsigt til at forstå de fysiske processer, der arbejder i GRB'er, som stadig er mystiske. De fotoner, der detekteres af MAGIC, skal stamme fra en proces, der hidtil ikke er set i efterglødene fra GRB'er, klart adskilt fra den fysiske proces, der vides at være ansvarlig for deres emission ved lavere energier.(Se sidebemærkninger for mere info om GRB'er, efterlys, synkrotron emission, og MAGIC-teleskoperne)

MAGIC detektion og multi-bølgelængde observationer af GRB 190114C

Den 14. januar, 2019, en GRB blev opdaget uafhængigt af to rumsatellitter:Neil Gehrels Swift Observatory og Fermi Gamma-ray Space Telescope. Arrangementet fik navnet GRB 190114C, og inden for 22 sekunder, dens koordinater på himlen blev distribueret som en elektronisk advarsel til astronomer over hele verden, inklusive MAGIC Collaboration, som driver to Cherenkov-teleskoper med en diameter på 17 m placeret i La Palma, Spanien. Da GRB'er vises på uforudsigelige steder på himlen og derefter hurtigt falmer, deres observation med teleskoper såsom MAGIC kræver en dedikeret opfølgningsstrategi.

Et automatisk system behandler i realtid GRB-advarslerne fra satellitinstrumenter og får MAGIC-teleskoperne til at pege hurtigt mod GRB'ens himmelposition. Teleskoperne blev designet til at være meget lette og i stand til hurtigt at pege igen:trods vægten på 64 tons hver, de kan nå og begynde at observere en given position på himlen på kun omkring 25 sekunder. MAGIC var i stand til at starte observationen af ​​GRB 190114C kun 50 sekunder efter begyndelsen af ​​GRB.

Analysen af ​​de resulterende data for de første ti sekunder afslører emission af fotoner i eftergløden, der når teraelectronvolt (TeV) energier, det er, en billion gange mere energisk end synligt lys. I løbet af denne tid, emissionen af ​​TeV-fotoner fra GRB 190114C var 100 gange mere intens end den lyseste kendte stabile kilde ved TeV-energier, Krabbetågen. På denne måde GRB 190114C blev rekordsætteren som den lyseste kendte kilde til TeV-fotoner. Som forventet for GRB-eftergløder, emissionen forsvandt hurtigt med tiden, svarende til efterglødsemissionen, der havde været kendt ved lavere energier. De sidste glimt blev set af MAGIC en halv time senere.

For allerførste gang, den utvetydige påvisning af TeV-fotoner fra en GRB blev annonceret af MAGIC Collaboration til det internationale samfund af astronomer blot et par timer efter satellitadvarslerne, efter en omhyggelig kontrol af de foreløbige data. Dette lettede en omfattende kampagne med multi-wavelength (MWL) opfølgende observationer af GRB 190114C af over to snesevis af observatorier og instrumenter, giver et fuldstændigt observationsbillede af denne GRB fra radiobåndet til TeV-energier. I særdeleshed, optiske observationer tillod en måling af afstanden til GRB 190114C. Det blev fundet, at denne GRB er placeret i en galakse, hvorfra det tog 4,5 milliarder år for lyset at nå Jorden.

Højeste energifotoner fra en nyligt afsløret emissionsproces

Selvom TeV-emission i GRB-efterglød var blevet forudsagt i nogle teoretiske undersøgelser, det havde været observationsmæssigt uhåndgribeligt i lang tid, på trods af adskillige søgninger på TeV energier gennem de sidste årtier med forskellige instrumenter, inklusive MAGIC. Hvilken fysisk mekanisme ligger bag produktionen af ​​de TeV-fotoner, der endelig blev opdaget af MAGIC? Antonio Stamerra, vicetalsmand for MAGIC-samarbejdet, påpeger:"Disse energier er meget højere end hvad der kan forventes fra synkrotronstråling, forårsaget af højenergielektroner, der spiraler i magnetiske felter. Denne proces forstås at være ansvarlig for den emission, der tidligere var blevet observeret ved lavere energier i GRB-efterglød. Disse nye resultater, sammen med de meget omfattende MWL-data, give det første utvetydige bevis for en yderligere, distinkt emissionsproces i eftergløden." Lara Nava, videnskabsmand tilknyttet MAGIC-samarbejdet, tilføjer:"Fra vores undersøgelse, den mest sandsynlige oprindelse for TeV-emissionen er den såkaldte inverse Compton-proces, hvor en population af fotoner øges betydeligt i energi ved at kollidere med højenergielektroner."

"Efter mere end 50 år siden GRB'er først blev opdaget, mange af deres grundlæggende aspekter er stadig mystiske, " siger Razmik Mirzoyan, talsmanden for MAGIC Collaboration. "Opdagelsen af ​​gammastråleemission fra GRB 190114C i den nye, TeV-vinduet i det elektromagnetiske spektrum viser, at GRB-eksplosionerne er endnu kraftigere end tidligere antaget. Det væld af nye data om GRB 190114C erhvervet af MAGIC og de omfattende MWL-opfølgningsobservationer giver nu vigtige spor til at afsløre nogle af mysterierne vedrørende de fysiske processer, der arbejder i GRB'er."

En sammenlignende undersøgelse af alle tidligere GRB-opfølgninger foretaget af MAGIC tyder på, at GRB 190114C ikke var en særlig unik begivenhed bortset fra dens relative nærhed (lys tog 4,5 milliarder år at nå Jorden), og at den vellykkede detektion skyldes instrumentets fremragende ydeevne. "MAGIC har åbnet et nyt vindue til at studere GRB'er, " siger Susumu Inoue, koordinatoren for MAGIC Transients arbejdsgruppen, der er mest involveret i projektet. "Vores resultater indikerer, at vi muligvis vil være i stand til at opdage mange flere GRB'er ved TeV-energier. Dette vil bane vejen for en meget dybere forståelse af disse fascinerende kosmiske eksplosioner."

Undersøgelsen er publiceret i Natur .