Überall im Universum, etwa 7,5 Milliarden Lichtjahre entfernt, setzte ein sterbender Stern einige der energiereichsten Lichtastronomen frei, die je gesehen wurden. Und diese Lichtteilchen oder Photonen helfen Astronomen zu verstehen, wie diese Teilchen zu solch extremen Energien gebracht werden.
Die Astronomen fanden die ultrahochenergetischen Photonen, während sie ein Ereignis betrachteten, das als Gammastrahlen-Burst oder GRB bezeichnet wurde. Es wird angenommen, dass Gammastrahlenexplosionen plötzlich auftreten, manchmal nur für den Bruchteil einer Sekunde. Einer dieser flüchtigen Ausbrüche kann mehr Energie freisetzen, als die Sonne während ihres gesamten Lebens erzeugen würde. Diese Ereignisse sind schwer zu erfassen, aber ein Nachglühen folgt dem Ausbruch. Das Licht des Nachglühens ist schwächer, hält aber länger an, sodass Astronomen es detailliert messen können.
Am 14. Januar 2019 wurde ein solcher Gammastrahlenausbruch mit dem Namen GRB 190114C von zwei Weltraumteleskopen über ein automatisiertes System entdeckt. Innerhalb von 22 Sekunden richteten Astronomen auf der Erde ihre bodengestützten Teleskope, um das Nachleuchten nach dem Ereignis zu messen.
"Wir haben seit mehr als 20 Jahren gesucht", sagte Razmik Mirzoyan, der Sprecher der Cherenkov-Teleskope für die atmosphärische Gammabildgebung (MAGIC) Zusammenarbeit und Co-Autor der neuen Studie, sagte Live Science. Dass sie diesen finden konnten, sagte Mirzoyan, "war nicht nur Glück, es ist nur Beharrlichkeit."
In astronomischer Hinsicht war das Ereignis relativ nahe, was es Astronomen ermöglichte, das Nachleuchten über einen großen Wellenlängenbereich zu messen. In den nächsten 10 Tagen sammelten die Wissenschaftler Daten von sechs Satelliten und 15 bodengestützten Teleskopen, die Strahlung in Wellenlängen von Radio bis Ultraviolettlicht detektierten.
Bei der Analyse der Messungen in den ersten zehn Sekunden nach dem Ausbruch fanden Astronomen Photonen mit Energien von Billionen von Elektronenvolt - das ist das Billionenfache der Energie der typischen Photonen, die von der Sonne kommen.
Während Photonen mit Energien von mehr als 1 Billion Elektronenvolt vor anderen astrophysikalischen Quellen wie Supernovae-Überresten nachgewiesen wurden, war nicht bekannt, dass sie von einem GRB stammen.
Die Daten mit mehreren Wellenlängen halfen den Astronomen festzustellen, wie die Teilchen mit Energie versorgt wurden. Photonen mit niedrigerer Energie wurden durch Teilchen freigesetzt, die sich in einem als Synchrotronstrahlung bekannten Prozess um Magnetfelder drehten. Im Gegensatz dazu wurden die rekordverdächtigen Photonen mit ultrahoher Energie durch Kollisionen mit hochenergetischen Elektronen beschleunigt - eine Variation eines Mechanismus, den Wissenschaftler als inverse Compton-Streuung bezeichnen. Die Ergebnisse bestätigen Theorien über GRBs und helfen Astronomen, die Physik dieser bizarren Ausbrüche zu verstehen.
"Nach mehr als 50 Jahren seit der ersten Entdeckung von GRBs bleiben viele ihrer grundlegenden Aspekte immer noch rätselhaft", sagte Mirzoyan in einer Erklärung. "Die Entdeckung der Gammastrahlenemission von GRB 190114C ... zeigt, dass die GRB-Explosionen noch stärker sind als bisher angenommen."
Während Astronomen lange nach solchen ultrahochenergetischen Photonen gesucht haben, war GRB 190114C kein seltenes Ereignis - nur eines, das schwer zu fangen ist. Dank Teleskopen wie MAGIC und dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), die zur Detektion von Gammastrahlen mit ultrahoher Energie entwickelt wurden, und automatisierten Systemen zur Detektion von anfänglichen GRBs erwarten Wissenschaftler, dass in Zukunft mehr solche Photonen mit ultrahoher Energie gefangen werden.
"Wir treten in eine neue Ära der Entdeckung von Photonen mit ultrahoher Energie ein", sagte Bing Zhang, Astrophysiker an der Universität von Nevada in Las Vegas, der nicht an der neuen Studie beteiligt war, Live Science in einer E-Mail. "Da im Hochenergieregime eine reichhaltige Physik erwartet wird, werden diese Beobachtungen in den kommenden Jahren mit Sicherheit Aufregungen bringen."
Die neuen Ergebnisse wurden am 20. November in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
