Epische kosmische Explosion durch überlichtschnelle Teilchen entdeckt

Ein schalenförmiges Teleskop bei Nacht unter einer Kaskade hellblauer Strahlung.

Spezialisierte Teleskope – wieH.E.S.S.in Namibia undMAGIEauf den Kanarischen Inseln – das Bläuliche erkennenCherenkov Lichtin der Erdatmosphäre, erzeugt durch überlichtschnelle Teilchen, verursacht durch kosmische Gammastrahlen. Bild überDESYWissenschaftskommunikationslabor.


Am 14. Januar 2019 wurden zwei NASA-Weltraumobservatorien –SchnellundFermi– entdeckte einen Ausbruch von Gammastrahlen aus einer Milliarden Lichtjahre entfernten Quelle. Das ist an und für sich nicht ungewöhnlich; Diese Weltraumteleskope erkennen etwa einmal täglich Gammastrahlenausbrüche und senden routinemäßig automatische Warnungen an andere Gammastrahlen-Observatorien auf der ganzen Welt. Aber dieser Ausbruch – mit der Bezeichnung GRB 190114C – war anders. Es wurde das bisher leistungsstärkste Teleskop, das von einem spezialisierten Teleskop auf der Erdoberfläche entdeckt wurde, wo Wissenschaftler die energiereichsten Gammastrahlen registrierten, die je von einem Gammastrahlenausbruch gemessen wurden, und erreichten etwa 100 Milliarden Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. DieMAGIETeleskop auf den Kanarischen Inseln konnte die Ursprungsregion so schnell aufzeigen, dass es innerhalb von nur 57 Sekunden nach den weltraumgestützten Beobachtungen mit der Beobachtung des Ereignisses begann. Ihre Wissenschaftler präsentierten ihre Beobachtungen letzte Woche (20. November 2019) in zwei unabhängigen Studien impeer-reviewedTagebuchNatur.

In der gleichen Ausgabe vonNatur, präsentierten Wissenschaftler eine Studie eines früheren Gammastrahlenausbruchs – mit der Bezeichnung GRB 180720B – nicht so stark, aber auch am Boden über dieH.E.S.S.Teleskop in Namibia am 20. Juli 2018.Lesen Sie einen Überblick über die dreiNaturstudiert hier.


Diese beiden bodengestützten Detektionen – von Januar 2019 und Juli 2018 – sind die ersten Detektionen von Gammastrahlenausbrüchen mit bodengestützten Gammastrahlenteleskopen. Sie kommen nach vielen Jahren des Versuchs, solche Ereignisse einzufangen.

Die Macht dieser kosmischen Explosionen ist überwältigend. Aber auch ihre Entdeckung ist faszinierend. Die bodengestützte H.E.S.S. und MAGIC-Teleskope haben die Gammastrahlen nicht direkt erkannt. Sie entdeckten ihre Wirkung auf die Erdatmosphäre durch überlichtschnelle Teilchen, die als bekannt sindCherenkov-Strahlung. Das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) – ein nationales Forschungszentrum in Deutschland, das Teilchenbeschleuniger betreibt und auch am Betrieb von H.E.S.S. und MAGIE – erklärt in aStellungnahme:

Wenn ein energetischer kosmischer Gammastrahl auf die Erdatmosphäre trifft, zerschmettert er Moleküle und Atome. Dieser Prozess erzeugt eine Lawine von Partikeln, die als Luftschauer bezeichnet wird. Die Schauerteilchen sind so energiereich, dass sie sich schneller durch die Luft bewegen als Licht – wenn auch nicht schneller als Licht im Vakuum, was nach Albert Einsteins Relativitätstheorie dieabsolute obere Geschwindigkeitsbegrenzung. Das Ergebnis ist ein bläuliches Leuchten, eine Art optisches Gegenstück zum Überschallknall. Dieses Cherenkov-Licht, benannt nach seinemEntdecker, kann mit Cherenkov-Teleskopen wie denen des H.E.S.S. und MAGIC Observatorien …

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Zwei helle Kleckse auf dunklem Hintergrund, einer deutet auf eine Spiralform mit einem kleinen grünen Ring darin hin.

Das Hubble-Weltraumteleskop fing am 11. Februar und 12. März 2019 das verblassende Nachleuchten von GRB 190114C und seiner Heimatgalaxie ein. Der Unterschied zwischen diesen Bildern zeigt ein schwaches, kurzlebiges Leuchten (Mitte des grünen Kreises), das etwa 800 Lichtjahre entfernt ist aus dem Kern der Galaxie. Blaue Farben jenseits des Kerns signalisieren das Vorhandensein heißer, junger Sterne, was darauf hindeutet, dass es sich um eine Spiralgalaxie handelt, die unserer eigenen ähnelt. Die Quelle des Ausbruchs befindet sich etwa 4,5 Milliarden Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Fornax. Bild über NASA/ESA/V. Acciari et al./ICRAR.

Gammablitze –genannt GRBsvon Wissenschaftlern – sind plötzliche, kurze Ausbrüche von Gammastrahlung aus dem Kosmos. Sie wurden Ende der 1960er Jahre zufällig von Satelliten entdeckt, mit denen die Einhaltung des Atomtestverbots auf der Erde überwacht wurde. Es wird angenommen, dass diese Ausbrüche von kollidierenden Neutronensternen oder Supernova-Explosionen stammen. David Berge, Leiter der Gammastrahlen-Astronomie bei DESY, sagte:

Gammablitze sind die stärksten im Universum bekannten Explosionen und setzen typischerweise in wenigen Sekunden mehr Energie frei als unsere Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer – sie können fast das gesamte sichtbare Universum durchleuchten.

Seit den 1960er Jahren untersuchen Astronomen Gammablitze mit Satelliten. Die Erdatmosphäre absorbiert Gammastrahlen; Erdbasierte Teleskope können kosmische Gammastrahlen nicht direkt erkennen. Teleskope wie H.E.S.S. und MAGIC wurden entwickelt, um ein schwaches blaues Leuchten in der Atmosphäre – Cherenkov-Licht – zu erkennen, das durch kosmische Gammastrahlen induziert wird.


Die Entdeckung dieser beiden jüngsten Gammastrahlenausbrüche durch diese bodengestützten Observatorien war der Höhepunkt jahrelanger Bemühungen der Astronomen.

Diagramm einer großen Strahlungsmenge, die von einem Schwarzen Loch ausgeht, mit annotierten Merkmalen.

Größer anzeigen. | Was sind Gammablitze? Sie sind kosmische Explosionen, deren Strahlung bis zu einer Billion mal höher ist als die Energie des sichtbaren Lichts. Diese Abbildung zeigt den Aufbau für die gängigste Art von Gammastrahlenausbruch. Der Kern eines massereichen Sterns (links) ist kollabiert und hat ein Schwarzes Loch gebildet. Dieser „Motor“ treibt einen Partikelstrahl an, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den kollabierenden Stern in den Weltraum hinaus bewegt. Die prompte Emission, die typischerweise eine Minute oder weniger dauert, kann durch die Wechselwirkung des Jets mit Gas in der Nähe des neugeborenen Schwarzen Lochs und durch Kollisionen zwischen Hüllen aus schnell bewegtem Gas innerhalb des Jets (interne Stoßwellen) entstehen. Die Nachleuchtemission tritt auf, wenn die Vorderkante des Jets seine Umgebung aufstreicht (eine externe Stoßwelle erzeugt) und für einige Zeit Strahlung über das gesamte Spektrum aussendet – Monate bis Jahre im Fall von Radio und sichtbarem Licht und viele Stunden bei der die höchsten bisher beobachteten Gammastrahlenenergien. Diese übersteigen bei weitem 100 Milliarden Elektronenvolt (GeV) für zwei aktuelle GRBs. Bild über das Goddard Space Flight Center der NASA/ICRAR.

Ein Grund, warum das Ergebnis erzielt werden konnte, war, dass – wenn weltraumgestützte Observatorien einen Gammastrahlenausbruch entdecken – sie schnell die gesamte Beobachtungsgemeinschaft alarmieren. Im Fall der Gammastrahlen-Büste im Januar 2019 konnten mehr als 20 verschiedene Teleskope einen tieferen Blick auf die Quelle des Ausbruchs gewinnen. DESY sagte:

Dies ermöglichte es [them], die Details des physikalischen Mechanismus zu bestimmen, der für die energiereichste Emission verantwortlich ist, wie im zweiten von der MAGIC-Kollaboration geleiteten Papier beschrieben. Folgebeobachtungen platzierten GRB 190114C in einer Entfernung von mehr als vier Milliarden Lichtjahren. Das bedeutet, dass sein Licht mehr als vier Milliarden Jahre zu uns gereist ist, oder etwa ein Drittel des heutigen Alters des Universums.


GRB 180720B, in einer Entfernung von sechs Milliarden Lichtjahren noch weiter entfernt, konnte noch lange nach der ersten Explosion in Gammastrahlen bei Energien zwischen 100 und 440 Milliarden Elektronenvolt nachgewiesen werden.

DESY-Theoretiker Andrew Taylor, der zum H.E.S.S. Analyse, kommentiert:

Die Entdeckung kam ziemlich unerwartet, da Gammastrahlenausbrüche schnell verblassen und ein Nachglühen hinterlassen, das stunden- bis tagelang über viele Wellenlängen von Radio bis Röntgenstrahlung zu sehen ist, aber noch nie in sehr energiereichen Gammastrahlen nachgewiesen wurde Vor.

Dieser Erfolg ist auch auf eine verbesserte Nachfolgestrategie zurückzuführen, bei der wir uns auch auf Beobachtungen zu späteren Zeitpunkten nach dem eigentlichen Sternkollaps konzentrieren.

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Leuchtender Ring am Himmel mit langen, hellen Strahlen, die über dem silhouettierten Observatorium austreten.

Künstlerisches Konzept des Gammastrahlenausbruchs vom 14. Januar 2019, gefangen vom MAGIC-Observatorium auf den Kanarischen Inseln. Bild über Superbossa.com/C. Rigi/ICRAR.

Fazit: Am 14. Januar 2019 entdeckten weltraumgestützte Observatorien eine gewaltige Explosion in einer Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie. GRB 190114C wurde die bisher hellste Quelle hochenergetischer kosmischer Gammastrahlung. Das MAGIC-Teleskop auf den Kanarischen Inseln konnte es mithilfe der überlichtschnellen Cherenkov-Strahlung nachweisen, die durch die Erdatmosphäre kaskadiert. Diese Beobachtung – kombiniert mit einer ähnlichen Beobachtung eines anderen Gammastrahlenausbruchs, GRB 180720B, vom Juli 2018 – war der erfolgreiche Höhepunkt jahrelanger Bemühungen von Astronomen.

Quelle: Extreme Emission von Gammastrahlenausbrüchen

Über DESY

Via ICRAR