Wissenschaftler lösen Rätsel um „Hellste Explosion aller Zeiten“

Ein gewaltiges Ereignis, das so gewaltig war, dass etwa ein Gigawatt Energie in die obere Erdatmosphäre gelangte

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Kosmische Explosionen, sogenannte Gammastrahlenausbrüche (GRBs), wurden erstmals Ende der 1960er Jahre zufällig von US-Militärsatelliten entdeckt und gelten mittlerweile als die hellsten Explosionen im Universum. Typischerweise sind sie das Ergebnis der katastrophalen Entstehung eines Schwarzen Lochs in einer fernen Galaxie.

Dies kann beispielsweise durch den Kollaps eines einzelnen, massereichen Sterns geschehen. Astronomen wie ich, die auf diesem Gebiet arbeiten, sind sich der gewaltigen Energieskalen bewusst, die mit GRBs verbunden sind. Wir wissen, dass sie genauso viel Energie in Form von Gammastrahlen freisetzen können wie die Sonne im Laufe ihres Lebens.

Aber hin und wieder wird ein Ereignis beobachtet, das uns immer noch innehalten lässt. Im Oktober 2022 registrierten Gammastrahlendetektoren auf den Orbitalsatelliten Fermi und dem Neil Gehrels Swift Observatory einen Ausbruch namens GRB 221009A (das Datum der Entdeckung). Dies erwies sich schnell als rekordverdächtig. Es wurde als „das hellste aller Zeiten“ oder „Boot“ bezeichnet, eine passende Abkürzung für Astronomen, die das Ereignis untersuchten und beobachteten. Das Boot begann nicht nur hell, es weigerte sich auch, wie andere Ausbrüche zu verschwinden. Wir wissen immer noch nicht genau, warum der Ausbruch so außergewöhnlich hell war, aber unsere neue Studie, die in Science Advances veröffentlicht wurde, liefert eine Antwort auf seine hartnäckige Beharrlichkeit.

Der Ausbruch entstand aus einer Entfernung von 2,4 Milliarden Lichtjahren – relativ nahe für einen GRB. Aber selbst unter Berücksichtigung der relativen Entfernung lagen die Energie des Ereignisses und die durch seine Nachwirkungen erzeugte Strahlung außerhalb der Diagramme. Es ist definitiv nicht normal, dass ein kosmisch weit entferntes Ereignis etwa ein Gigawatt Leistung in die obere Erdatmosphäre abgibt.

GRBs wie das Boat starten einen Gasstrom, der sich mit sehr naher Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum bewegt. Wie genau der Jet gestartet wird, bleibt ein Rätsel – aber höchstwahrscheinlich handelt es sich dabei um Magnetfelder in der Nähe der Stelle, an der das Schwarze Loch entsteht.

Es ist die frühe Emission dieses Jets, die wir als Ausbruch betrachten. Später wird der Strahl langsamer und erzeugt zusätzliche Strahlung, ein verblassendes Nachleuchten von Licht – von Radiowellen bis hin zu (in Ausnahmefällen) Gammastrahlen.

Wir beobachten Jets nicht direkt. Stattdessen sehen wir GRBs wie entfernte Sterne als Punkte am Himmel. Dennoch haben wir gute Gründe zu der Annahme, dass GRBs nicht in alle Richtungen gleichermaßen explodieren. Für GRB 221009A wäre dies sicherlich unzumutbar, da es eine Vervielfachung der auf der Erde erfassten Energiemenge mit allen anderen Richtungen bedeuten würde – was viel mehr Energie wäre, als jeder Stern zur Verfügung hätte.

Ein weiterer Hinweis darauf, dass GRBs von Jets stammen, die grob auf uns gerichtet sind, ist auf die spezielle Relativitätstheorie zurückzuführen. Die Relativitätstheorie lehrt uns, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, egal wie schnell sich eine Quelle auf uns zubewegt. Dadurch kann es jedoch immer noch zu einer Verzerrung der Lichtrichtung kommen. Dank dieses Fun-House-Spiegeleffekts wird das von der Oberfläche eines sich schnell bewegenden Strahls in alle Richtungen ausgestrahlte Licht am Ende stark entlang seiner Bewegungsrichtung fokussiert.

Allerdings sind die Ränder eines Jets, der in unsere Richtung fliegt, ganz leicht weggekrümmt, was bedeutet, dass sein Licht von unserer Richtung weg fokussiert wird. Erst später, wenn der Strahl langsamer wird, kommen normalerweise die Kanten zum Vorschein und das Nachleuchten beginnt schneller zu verblassen.

Aber auch hier hat GRB 221009A gegen die Regeln verstoßen. Seine Ränder waren nie sichtbar und er schloss sich einer ausgewählten Gruppe sehr heller Ausbrüche an, die nicht normal verblassen. Anstatt langsam zu verblassen und dann schnell zu verschwinden, verblasst es mit der Zeit stetig.

In unserer Arbeit zeigen wir, wie das Erscheinungsbild der Jetkanten auf eine Art und Weise verdeckt werden kann, die mit den Beobachtungen des Bootes übereinstimmt. Die Grundidee ist folgende: Ja, ein schmaler Jet wurde gestartet, aber es fiel ihm schwer, dem kollabierenden Stern zu entkommen, was zu einer starken Vermischung mit Sterngas an den Seiten des Jets führte.

Um zu testen, ob dies tatsächlich der Fall war, haben wir ein Computersimulationsergebnis, das diese Vermischung zeigt, in ein Modell implementiert, das tatsächlich direkt mit den Bootsdaten verglichen werden konnte. Und es zeigte sich, dass das, was normalerweise ein schneller Wechsel zu einem stark schwächer werdenden Signal wäre, nun zu einer langwierigen Angelegenheit wurde.

Die Strahlung des schockerhitzten Gases des sterbenden Sterns erschien immer wieder in unserem Sichtfeld und erklärt, warum er so hell blieb. Dies geschah so lange, bis jegliche charakteristische Strahlsignatur in der Gesamtemission verloren ging.

Auf diese Weise bestätigt GRB 221009A nicht nur die Erwartungen aus der Simulation, sondern liefert auch einen Hinweis auf ähnlich helle Ereignisse in der Vergangenheit, bei denen die Menschen die Energieschätzung ständig nach oben korrigieren mussten, während sie darauf warteten, dass sich eine Strahlkante zeigte.

Wir haben berechnet, dass die Wahrscheinlichkeit, einen so hellen Ausbruch zu sehen, bei etwa eins zu tausend Jahren liegt, wir können uns also glücklich schätzen, einen gesehen zu haben. Aber es bleiben Fragen. Welche Rolle spielen beispielsweise Magnetfelder?

Theoretiker und numerische Modellierer werden sich jahrelang mit diesen Themen befassen und die Bootsdaten durchforsten, während wir nach dem nächsten großen Ereignis Ausschau halten

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.