NASA verfolgt das hellste kosmische Ereignis, das jemals aufgezeichnet wurde – „Das Ding ist verrückt!“

Astronomen waren Zeugen des BOAT, des hellsten kosmischen Ereignisses, das jemals aufgezeichnet wurde, und demonstrierten die Leistungsfähigkeit der Zeitbereichs- und Multimessenger-Astronomie. Diese und ähnliche Veranstaltungen bieten Einblicke in die dynamischen Prozesse des Universums und die Rolle der Zusammenarbeit bei wissenschaftlichen Entdeckungen.

Kurz nach der Halbzeit am 9. Oktober 2022 begann Stephen Lesages Telefon zu vibrieren, als er mit einem Freund ein Fußballspiel in Atlanta verfolgte. Als Lesage die eingehenden Nachrichten sah, schien das Spiel nicht mehr wichtig zu sein. Es hatte ein seltenes kosmisches Ereignis stattgefunden und er musste sofort zu seinem Computer gehen.

Der Fermi-Gammastrahlensatellit der NASA und das Neil Gehrels-Swift-Observatorium hatten ein ungewöhnlich helles Signal im Weltraum entdeckt und automatische Warnungen an Wissenschaftler gesendet. Der Fermi-Chat-Kanal von Lesages Team war voller Nachrichten, während die Wissenschaftler ihre Folgestrategie koordinierten.

„Jeder in dieser Gruppe meinte: ‚Das Ding ist verrückt!‘ Wer hat die Aufgabe, das zu analysieren? Darauf haben wir gewartet“, erinnert sich Lesage, ein Doktorand an der University of Alabama in Huntsville. “Zeit zu gehen!”

Es stellte sich heraus, dass es sich bei dem ungewöhnlichen Ereignis um einen kosmischen Ausbruch handelte, der bei Röntgen- und Gammastrahlungsenergien möglicherweise der hellste seit Beginn der Zivilisation war. Astronomen nannten es BOAT, „das hellste aller Zeiten“. Lesage leitete eine Analyse der Fermi-Daten, die zeigte, wie hell das BOAT tatsächlich war. Mehr als 150 Teleskope im Weltraum und auf der Erde folgten, um weitere Einzelheiten des Ereignisses zu erfahren NASADas IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), das Hubble-Weltraumteleskop und das James Webb-Weltraumteleskop sowie das XMM-Newton-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation.

Das Universum verändert sich

Das BOAT ist ein Beispiel für das, was Astronomen Zeitbereichs- und Multimessenger-Astronomie nennen. Der Teil „Zeitbereich“ bezieht sich auf Ereignisse im Universum, die mit Teleskopen beobachtet werden können, während sie sich entfalten, beispielsweise eine Supernova oder die Verschmelzung zweier Neutronensterne. „Multimessenger-Astronomie“ bezieht sich auf die Vielfalt der „Boten“, die Informationen aus dem Universum übermitteln, einschließlich aller Formen von Licht, hochenergetischen Teilchen und Wellen in der Raumzeit Gravitationswellen.

Auch wenn es den Anschein hat, als würde sich das Universum über Millionen oder sogar Milliarden von Jahren extrem langsam verändern, bewirken seine himmlischen Bewohner manchmal dramatische Veränderungen in der Größenordnung von Tagen oder sogar Bruchteilen von Sekunden. Galaktische Zentren werden heller, wenn ihre zentralen Schwarzen Löcher Material fressen. Siphon von Schwarzen Löchern Plasma von nahen Sternen. Sterne explodieren. Neutronensterne kollidieren mit Schwarzen Löchern, Neutronensterne kollidieren mit Neutronensternen und Schwarze Löcher verschmelzen mit Schwarzen Löchern. Sogar weit entfernte Abstürze von Himmelsobjekten können starke Wellen aussenden, die von weltraum- und bodengestützten Teleskopen und Instrumenten erfasst werden können. Bei vielen dieser Phänomene lässt sich nicht vorhersagen, wo und wann sie als nächstes auftreten könnten.

Die NASA verfügt über zwei „Watchdog“-Satelliten mit weiten Sichtfeldern, die Alarme aussenden, wenn sie eine plötzliche Aufhellung der Gammastrahlung feststellen: Fermi und Swift. Fermis Gamma-Ray Burst Monitor and Large Area Telescope und Swifts Burst Alert Telescope sind wichtige Instrumente, die diese Ereignisse möglicherweise als erste beobachten.

„Wenn etwas Impulsives passiert, wenn etwas boomt und explodiert oder etwas knirscht und zusammenbricht, werden sie ausgelöst“, sagte Valerie Connaughton, die das Portfolio für Hochenergie-Astrophysik und die Time-Domain and Multimessenger Astronomy Initiative innerhalb der Astrophysik-Abteilung der NASA leitet Hauptsitz in Washington.

Sobald Wissenschaftler eine Warnung auf ihren Computern und Telefonen erhalten, können sie möglicherweise mit anderen Teleskopen zusammenarbeiten, um das Ereignis weiterzuverfolgen. Durch den Einsatz verschiedener weltraumgestützter Observatorien und Instrumente zur Untersuchung dieser weitgehend unvorhersehbaren Blitze können Wissenschaftler herausfinden, was, wo, wann und warum sie einen „Ausrutscher“ in der üblichen Ruhe des Weltraums beobachtet haben.

Nach dem Vergleich der Beobachtungen des BOAT mit zahlreichen Teleskopen stellten die Wissenschaftler fest, dass dieser ungewöhnlich helle Ausbruch von einer Supernova und insbesondere vom Kernkollaps eines massereichen, schnell rotierenden Sterns herrührte. Später mit Daten der NASA NuSTAR Bei der ersten Mission stellten Wissenschaftler fest, dass der aus dem explodierenden Stern austretende Materialstrahl eine kompliziertere Form hatte, als sie ursprünglich angenommen hatten.

„„Ein riesiger Stern ist gerade explodiert, und wir können ihn untersuchen und herausfinden, was passiert ist, die Teile rückentwickeln und wieder zusammensetzen“, sagte Lesage.

„Die Zeitbereichsastronomie ermöglicht es uns, grundlegende Antworten auf die Eigenschaften des Universums, der Grundlagenphysik selbst und den Ursprung der Elemente zu erhalten.“

— Eric Burns, Astrophysiker, Louisiana State University

Neue helle Signale

Nur fünf Monate nach dem BOAT erhielten Wissenschaftler von Fermi eine Warnung über den zweithellsten Gammastrahlenausbruch der letzten 50 Jahre. Dieses neuere Signal, GRB 230307A, das im März 2023 auftrat, gehörte zu BOAT in die Kategorie der „langen“ Gammastrahlenausbrüche mit einer Dauer von 200 Sekunden, verglichen mit 600 Sekunden beim BOAT. Dank Infrarotdaten der NASA James Webb-WeltraumteleskopWissenschaftler stellten fest, dass GRB 230307A möglicherweise einen ganz anderen Ursprung hatte: die Verschmelzung zweier Neutronensterne, etwa eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Darüber hinaus entdeckte Webb das seltene Element Tellur, was darauf hindeutet Neutronenstern Fusionen erzeugen schwere Elemente wie dieses.

Dieses Ergebnis gibt Astronomen wie Eric Burns, Mitautor des GRB 230307A-Artikels und Mitglied des Fermi-Teams an der Louisiana State University, immer noch Rätsel auf. Verschmelzende Neutronensterne sollten keine so langen Gammastrahlenausbrüche erzeugen, und aktuelle Modelle der Atomphysik erklären die von Webb entdeckten Wellenlängen im mittleren Infrarot nicht vollständig. Er hofft, dass Webb uns in den nächsten Jahren dabei helfen wird, mehr über diese Art von Ereignissen zu erfahren.

„Die Zeitbereichsastronomie ermöglicht es uns, grundlegende Antworten auf die Eigenschaften des Universums, der Grundlagenphysik selbst und des Ursprungs der Elemente zu erhalten“, sagte Burns.

Eine Vielzahl von Boten

Kosmische „Boten“, die mit flüchtigen kosmischen Ausreißern in Verbindung gebracht werden, helfen Wissenschaftlern auch bei der Rekonstruktion ihrer Ursprünge. Die erste Entdeckung der Gravitationswellen im Jahr 2015 durch LIGOdas Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, zeigte, dass das Universum auf völlig neue Weise beobachtet werden kann, und leitete eine neue Ära der Möglichkeiten ein, mehrere Boten zur Untersuchung plötzlicher Ausreißer im Universum zu verwenden.

Im Jahr 2017 demonstrierten Wissenschaftler dieses Potenzial, indem sie Gravitationswellenbeobachtungen mit Daten von vielen verschiedenen boden- und weltraumgestützten Observatorien kombinierten, um eine Kilonova oder Neutronensternverschmelzung namens GW170817 zu untersuchen. Zu den Erkenntnissen aus der umfassenden Untersuchung dieser Kilonova gehörte, dass Burns und Kollegen sie nutzten, um die erste präzise Messung der Schwerkraftgeschwindigkeit durchzuführen, „die letzte große Bestätigung einer Vorhersage von Einstein“, sagte er.

Heute hält das von der US-amerikanischen NSF (National Science Foundation) unterstützte Netzwerk LIGO, Europas VIRGO und Japans KAGRA nach Gravitationswellenereignissen Ausschau.

In dieser Abbildung wirbeln dem Untergang geweihte Neutronensterne entgegen. Gravitationswellen entziehen der Umlaufbahn Energie, wodurch die Sterne näher zusammenrücken und verschmelzen. Bei der Kollision werden einige der Trümmer in Partikelstrahlen weggeschleudert, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und einen kurzen Ausbruch von Gammastrahlen erzeugen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab der NASA

Licht ist die einzige Art von „Boten“ aus dem Universum, die sowohl für BOAT als auch für den Gammastrahlenausbruch entdeckt wurde, der offenbar Tellur produziert hat. Ein von der NSF unterstütztes Experiment IceCube in der Nähe des Südpols suchte nach hochenergetischen Neutrinos, die aus demselben Himmelsbereich wie jedes Ereignis stammten, fand jedoch keine. Der beobachtete Mangel an Neutrinos hilft Wissenschaftlern jedoch dabei, die Möglichkeiten für die Entstehung dieser Ereignisse einzuschränken.

„Dieser Multimessenger-Ansatz ist wichtig, auch wenn es keinen Nachweis gibt“, sagte Michela Negro, Astrophysikerin und Assistenzprofessorin an der Louisiana State University. „Es hilft wirklich, einige Szenarien auszuschließen und uns darüber hinaus etwas Neues zu sagen, wenn wir Entdeckungen haben.“

Eine glänzende Zukunft

Für Lesage, der seine Dissertation über das BOAT schreibt, ist die Zeitbereichs- und Multimessenger-Astronomie ein spannendes Forschungsgebiet. Das BOAT selbst beschäftigt ihn und andere Astronomen immer noch, während sie alle Prozesse untersuchen, die das außergewöhnlich helle Licht dieses extremen Ereignisses offenbart. Aber es wird mit Sicherheit noch mehr vorübergehende Ereignisse geben, die die Wissenschaftler auf Trab halten werden, während sie ihnen mit einer Vielzahl von Teleskopen und Instrumenten nachjagen.

„Das sind nur vorübergehende Ereignisse – schauen Sie jetzt hin, sonst verpassen Sie es“, sagte Lesage. „Schauen Sie so schnell wie möglich nach.“

Weiterführende Literatur: Teleskope zum Thema

In den nächsten Jahren wird die NASA neue „Beobachter“-Satelliten starten, um nach plötzlichen, vorübergehenden Ereignissen wie diesen Ausschau zu halten. Dazu gehören mehrere CubeSats, eine Klasse miniaturisierter Raumfahrzeuge, die in standardisierten Würfeleinheiten mit einer Seitenlänge von etwa 10 cm (4 Zoll) gebaut sind:

• BurstCube startet im März 2024 zur Überwachung von Gammastrahlensignalen
• BlackCat soll 2025 auf den Markt kommen und Röntgenlicht erkennen
• StarBurst soll 2027 starten und Gammastrahlensignale überwachen

Auch internationale Partnerschaften beinhalten diese Art von Wissenschaft:

• ULTRASAT (Ultraviolet Transient Astronomy Satellite), ein kleiner Satellit der israelischen Raumfahrtbehörde und des Weizmann Institute of Science mit einem weiten Sichtfeld, der auf ultraviolettes Licht spezialisiert ist, hat NASA-Beiträge. Voraussichtlicher Start im Jahr 2026.

Darüber hinaus können NASA-Teleskope mit anderen Hauptzielen dabei helfen, nach diesen ungewöhnlichen Ereignissen Ausschau zu halten:

• Psyche verfügt auf dem Weg zum metallreichen Asteroiden Psyche über ein Gammastrahlenspektrometer, mit dem Astronomen in den nächsten Jahren Gammastrahlenausbrüche erkennen können, während die Raumsonde ihrem Ziel entgegenfliegt.
• WISE, das den Himmel im Infrarotwellenlängenbereich kartierte, entdeckte viele neue entfernte Objekte und kosmische Phänomene. Die NEOWISE-Mission, die das WISE-Teleskop wiederverwendet, untersucht den erdnahen Weltraum nach potenziell gefährlichen Asteroiden.
• Das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA, ein Infrarot-Observatorium, das langjährige Geheimnisse der dunklen Energie erhellen und Tausende von Exoplaneten entdecken wird, ist für einen weiten Blick auf den Himmel konzipiert und wird zweifellos vorübergehende Infrarotsignale erfassen. Das Observatorium wird mehrere Untersuchungen durchführen, um nach diesen Phänomenen zu suchen, und die Mission wird viele Teams dabei unterstützen, relevante Themen zu untersuchen, die von veränderlichen Sternen über die Entstehung von Schwarzen Löchern bis hin zu aktiven Galaxien reichen. Der Start von Roman ist für Mai 2027 geplant und wird auch Warnungen über die Veränderungen am Himmel ausgeben, die es entdeckt.
• Die NEO Surveyor-Mission wird Infrarotdetektoren einsetzen, um die Suche nach Asteroiden und Kometen zu erweitern, die eine Gefahr für die Erde darstellen könnten. Es wird erwartet, dass die von NEO Surveyor aufgenommenen Bilder auch viele weiter entfernte Hintergrundobjekte erfassen.