Supernovae gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Und eine Untergruppe davon betrifft Gammastrahlenausbrüche, bei denen ein Großteil der freigesetzten Energie von extrem energiereichen Photonen stammt. Wir glauben zu wissen, warum das im Allgemeinen geschieht – das Schwarze Loch, das bei der Explosion zurückbleibt, stößt Materialstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus. Die Einzelheiten darüber, wie und wo diese Jets Photonen erzeugen, sind jedoch noch lange nicht vollständig geklärt.
Leider ereignen sich diese Ereignisse sehr schnell und in sehr großer Entfernung, sodass es nicht einfach ist, detaillierte Beobachtungen davon zu erhalten. Allerdings könnte uns ein jüngster Gammastrahlenausbruch, der BOAT (der hellste aller Zeiten) genannt wird, neue Informationen über die Ereignisse innerhalb weniger Tage nach der Explosion einer Supernova liefern. In einem neuen Artikel werden Daten eines Teleskops beschrieben, das zufällig in die richtige Richtung zeigte und empfindlich auf die durch das Ereignis erzeugte extrem energiereiche Strahlung reagierte.
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Das erwähnte „Teleskop“ ist das Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). Das Observatorium liegt fast 4.400 Meter über dem Meeresspiegel und besteht aus einem Komplex von Instrumenten, die kein Teleskop im herkömmlichen Sinne sind. Stattdessen sollen sie Luftschauer einfangen – die komplexe Kaskade von Trümmern und Photonen, die entstehen, wenn hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum in die Atmosphäre einschlagen.
Obwohl sie im Vergleich zu herkömmlichen Teleskopen begrenzt sind, bieten Luftschauerdetektoren bei Veranstaltungen wie dem BOAT einige Vorteile. Sie verfügen über ein sehr weites Sichtfeld, da sie sich nicht so sehr auf ein Ereignis konzentrieren müssen, sondern es anhand der Photonen und Teilchen, die die Erdoberfläche erreichen, rekonstruieren müssen. Und sie reagieren nur auf hochenergetische Ereignisse, was bedeutet, dass das Tageslicht zu wenig Energie hat, um zu stören, sodass sie rund um die Uhr arbeiten können.
Da LHAASO beim Ausbruch der BOAT-Supernova Daten erfasste, erfassten seine Detektoren nicht nur den Beginn des Ereignisses, sondern konnten auch dessen Entwicklung noch Tage danach verfolgen. Obwohl die räumliche Auflösung schlecht war, gab es eine enorme Menge an Daten, alle nach Wellenlänge getrennt. In den ersten 100 Minuten wurden über 64.000 Photonen mit Energien über 200 Gigaelektronenvolt nachgewiesen. Zum Vergleich: Die Umwandlung der gesamten Masse eines Protons in Energie würde etwas weniger als ein GeV erzeugen.
Eines der ersten Dinge, die offensichtlich waren, war, dass es einen großen Unterschied zwischen den Photonen bei niedrigeren (aber immer noch sehr hohen!) Energien und denen an den extremeren Enden des elektromagnetischen Spektrums gab. Daten von Photonen, die über einem Tera-Elektronenvolt-Bereich lagen, veränderten sich im Laufe der Zeit gleichmäßig, während diejenigen im Mega-Elektronenvolt-Bereich auf und ab schwankten.
Den Daten einen Sinn geben
Diese Daten, so vermuten die Forscher, stimmen mit der Vermutung überein, dass die Ereignisse mit niedrigerer Energie durch die Wechselwirkung der Jets mit den turbulenten Trümmern der Supernova verursacht werden. Da diese Trümmer sowohl komplex als auch in der Nähe der Quelle der Jets sein werden, wird die Menge an Geschwindigkeit, die Raumteilchen in den Jets aufbauen müssen, begrenzt und so ihre Energie begrenzt.
Im Gegensatz dazu werden die Photonen mit höherer Energie in Bereichen erzeugt, in denen die Jets die Supernova-Trümmer entfernt haben und beginnen, mit dem Material zu interagieren, das die Umgebung um den Stern gebildet hat – wahrscheinlich Partikel, die vom stellaren Äquivalent des Sonnenwinds abgeschleudert wurden. Es handelt sich um eine spärlichere und gleichmäßigere Umgebung, die den Jets einen weniger turbulenten Weg ermöglicht, um Teilchen auf die extremen Energien zu beschleunigen, die zur Erzeugung von Photonen mit Energien über einem TeV erforderlich sind.
Auch wenn es schwierig klingt, den Trümmern einer Supernova zu entkommen, geschieht der Prozess doch extrem schnell, da die Jets die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Es dauert also nur etwa fünf Sekunden, um einen schnellen Anstieg der TeV-Photonen in den Daten zu erkennen.
Von dort aus gibt es einen sanfteren Anstieg, der etwa 13 Sekunden dauert. Das hinter der Arbeit stehende Forschungsteam geht davon aus, dass die Jets dabei mit den Partikeln in der Umgebung außerhalb der Überreste des Sterns interagieren und diese beschleunigen. Dies erhöht die Anzahl der hochenergetischen Photonen, entzieht den Jets aber gleichzeitig einen Teil der Energie, wenn sie gegen einen immer größeren Materialhaufen stoßen, je weiter sie in die Umgebung vordringen.
Schließlich entzieht diese Materialansammlung so viel Energie, dass die Zahl der hochenergetischen Photonen allmählich abnimmt. Dieser Abfall ist langsam genug, dass er etwa 11 Minuten dauert.
Im Fall der BOAT-Supernova folgte ein starker Abfall energiereicher Photonen. Es wird angenommen, dass dies auf die Verbreiterung der Jets zurückzuführen ist, je weiter sie sich von ihrer Quelle entfernen, und impliziert, dass das BOAT so hell war, wie wir es beobachteten, weil der zentrale Kern seines Jets direkt auf die Erde gerichtet war. Der Zeitpunkt dieses Abwurfs gibt auch Aufschluss darüber, wie breit der Jet zu diesem Zeitpunkt war.
Über diese Ereignisse gibt es noch viel zu lernen – wir sind uns beispielsweise noch nicht sicher, wie Schwarze Löcher überhaupt Materiestrahlen ausstoßen. Aber solche detaillierten Beobachtungen können uns ein besseres Gefühl für den Zeitpunkt und die Dynamik der Jet-Bildung vermitteln, was letztendlich dazu beitragen wird, Modelle darüber zu entwickeln, was bei der Bildung von Schwarzen Löchern und der Jet-Produktion vor sich geht.
Science, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328 (Über DOIs).