Første påvisning af de kosmiske monstereksplosioner med jordbaserede gamma-stråleteleskoper

De kraftigste eksplosioner i universet producerer endnu mere energisk stråling end hidtil kendt:Ved hjælp af specialiserede teleskoper, to internationale hold har registreret de højeste energi-gamma-stråler nogensinde målt fra såkaldte gamma-stråleudbrud, når omkring 100 milliarder gange så meget energi som synligt lys. Forskerne fra H.E.S.S. og MAGIC-teleskoper præsenterer deres observationer i uafhængige publikationer i tidsskriftet Natur . Dette er de første påvisninger af gammastråleudbrud med jordbaserede gammastråleteleskoper. DESY spiller en stor rolle i begge observatorier, som drives under ledelse af Max Planck Society.

Gammastråleudbrud (GRB) er pludselige, korte udbrud af gammastråling, der sker cirka én gang om dagen et sted i det synlige univers. Ifølge den nuværende viden, de stammer fra kolliderende neutronstjerner eller fra supernovaeksplosioner af gigantiske sole, der kollapser i et sort hul. "Gamma-stråleudbrud er de kraftigste eksplosioner, der er kendt i universet og frigiver typisk mere energi på få sekunder end vores sol i hele dens levetid - de kan skinne gennem næsten hele det synlige univers, " forklarer David Berge, leder af gamma-ray astronomi hos DESY. Det kosmiske fænomen blev opdaget ved et tilfælde i slutningen af ​​1960'erne af satellitter, der blev brugt til at overvåge overholdelsen af ​​atomprøveforbuddet på Jorden.

Siden da, astronomer har studeret gammastråleudbrud med satellitter, da Jordens atmosfære meget effektivt absorberer gammastråler. Astronomer har udviklet specialiserede teleskoper, der kan observere et svagt blåt skær kaldet Cherenkov-lys, som kosmiske gammastråler inducerer i atmosfæren, men disse instrumenter er kun følsomme over for gammastråler med meget høje energier. Desværre, lysstyrken af ​​gamma-stråleudbrud falder stejlt med stigende energi. Cherenkov-teleskoper har identificeret mange kilder til kosmiske gammastråler ved meget høje energier, men ingen gammastråleudbrud. satellitter, på den anden side, har alt for små detektorer til at være følsomme over for den lave lysstyrke af gammastråleudbrud ved meget høje energier. Så, det var faktisk ukendt, hvis monstereksplosionerne udsender gammastråler også i meget-højenergi-regimet.

Forskere har prøvet i mange år, at fange et gammastråleudbrud med Cherenkov-teleskoper. Så pludselig, mellem sommeren 2018 og januar 2019, to internationale hold af astronomer, begge involverer DESY-forskere, detekterede gammastråler fra to GRB-hændelser for første gang fra jorden. Den 20. juli 2018, svag efterglødsemission af GRB 180720B i gamma-stråleregimet blev observeret med 28-meter teleskopet af High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. i Namibia. Den 14. januar 2019, lys tidlig emission fra GRB 190114C blev detekteret af Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) teleskoper på La Palma, og straks meddelt det astronomiske samfund.

Begge observationer blev udløst af gamma-ray-satellitter fra den amerikanske rumfartsorganisation NASA, der overvåger himlen for gamma-stråleudbrud og sender automatiske advarsler til andre gamma-ray observatorier efter detektion. "Vi var i stand til at pege på oprindelsesregionen så hurtigt, at vi kun kunne begynde at observere 57 sekunder efter den første opdagelse af eksplosionen, " rapporterer Cosimo Nigro fra MAGIC-gruppen hos DESY, der stod for observationsvagten på det tidspunkt. "I de første 20 minutters observation, vi opdagede tusindvis af fotoner fra GRB 190114C."

MAGIC registrerede gammastråler med energier mellem 200 og 1000 milliarder elektronvolt (0,2 til 1 teraelektronvolt). "Dette er langt de højeste energifotoner nogensinde opdaget fra et gammastråleudbrud, " siger Elisa Bernardini, leder af MAGIC-gruppen hos DESY. Til sammenligning:synligt lys er i området omkring 1 til 3 elektronvolt.

Den hurtige opdagelse gjorde det muligt hurtigt at alarmere hele observationssamfundet. Som resultat, mere end tyve forskellige teleskoper havde et dybere kig på målet. Dette gjorde det muligt at udpege detaljerne i den fysiske mekanisme, der er ansvarlig for den højeste energiudledning, som beskrevet i det andet papir ledet af MAGIC-samarbejdet. Opfølgende observationer placerede GRB 190114C i en afstand på mere end fire milliarder lysår. Det betyder, dets lys rejste mere end fire milliarder år til os, eller omkring en tredjedel af universets nuværende alder.

GRB 180720B, i en afstand af seks milliarder lysår endnu længere væk, stadig kunne detekteres i gammastråler ved energier mellem 100 og 440 milliarder elektronvolt længe efter den første eksplosion. "Overraskende nok, H.E.S.S. Teleskopet observerede et overskud på 119 gammakvanter fra eksplosionsretningen mere end ti timer efter, at eksplosionsbegivenheden først blev set af satellitter, " siger Stefan Ohm, leder af H.E.S.S. gruppe hos DESY.

"Opdagelsen kom ganske uventet, da gammastråleudbrud falmer hurtigt, efterlader et efterlys, som kan ses i timer til dage på tværs af mange bølgelængder fra radio til røntgenstråler, men var aldrig blevet opdaget i meget højenergi gammastråler før, " tilføjer DESY-teoretiker Andrew Taylor, der bidrog til H.E.S.S. analyse. "Denne succes skyldes også en forbedret opfølgningsstrategi, hvor vi også koncentrerer os om observationer på senere tidspunkter efter selve stjernekollapset."

Detekteringen af ​​gammastråleudbrud ved meget høje energier giver vigtig ny indsigt i de gigantiske eksplosioner. "Efter at have fastslået, at GRB'er producerer fotoner af energier hundreder af milliarder gange højere end synligt lys, vi ved nu, at GRB'er er i stand til effektivt at accelerere partikler i eksplosionsudstødningen, " siger DESY-forsker Konstancja Satalecka, en af ​​de videnskabsmænd, der koordinerer GRB-søgninger i MAGIC-samarbejdet. "Hvad mere er, det viser sig, at vi indtil nu manglede cirka halvdelen af ​​deres energibudget. Vores målinger viser, at den energi, der frigives i gammastråler med meget høj energi, er sammenlignelig med den mængde, der udstråles ved alle lavere energier taget tilsammen. Det er bemærkelsesværdigt!"

Det er udfordrende at forklare, hvordan de observerede meget højenergi-gammastråler genereres. Begge grupper antager en to-trins proces:For det første, hurtige elektrisk ladede partikler fra eksplosionsskyen afbøjes i de stærke magnetfelter og udsender såkaldt synkrotronstråling, som er af samme karakter som den stråling, der kan produceres i synkrotroner eller andre partikelacceleratorer på Jorden, for eksempel hos DESY. Imidlertid, kun under ret ekstreme forhold ville synkrotronfotonerne fra eksplosionen være i stand til at nå de meget høje observerede energier. I stedet, forskerne overvejer et andet skridt, hvor synkrotronfotonerne kolliderer med de hurtige partikler, der genererede dem, hvilket booster dem til de meget høje gammastråleenergier, der er registreret. Forskerne kalder sidstnævnte trin omvendt Compton-spredning.

"For første gang, de to instrumenter har målt gammastråling fra gammastråleudbrud fra jorden, " slutter Berge. "Disse to banebrydende observationer har etableret gammastråleudbrud som kilder til terrestriske gammastråleteleskoper. Dette har potentialet til betydeligt at fremme vores forståelse af disse voldelige fænomener." Forskerne vurderer, at op til ti sådanne begivenheder om året kan observeres med det planlagte Cherenkov Telescope Array (CTA), næste generation af gammastråleobservatoriet. CTA vil bestå af mere end 100 individuelle teleskoper af tre typer, der vil blive bygget to steder på den nordlige og sydlige halvkugle. DESY er ansvarlig for konstruktionen af ​​de mellemstore teleskoper og vil være vært for CTA's Science Data Management Center på dets campus i Zeuthen. CTA-observationer forventes tidligst at starte i 2023.