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

Astronomen gehen davon aus, dass ein langer GRB (Gammastrahlenausbruch) von einem schnell rotierenden massereichen Stern ausgeht, wenn dessen Kern keinen Treibstoff mehr hat und er kollabiert, wodurch im Zentrum des Sterns ein Schwarzes Loch entsteht. Im Konzept dieses Künstlers entstehen zwei Jets, die aus dem sterbenden Stern austreten und mit dem ihn umgebenden Gas und Staub interagieren. Bildquelle: Concept Image Laboratory des NASA Goddard Space Flight Center

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

Stephen LeSages Telefon begann am 9. Oktober 2022 nach der Halbzeit 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 auf seinen Computer zugreifen.

Der Fermi-Gammastrahlen-Satellit der NASA und das Neil Gehrels-Swift-Observatorium haben 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 sagte: ‚Das Ding ist verrückt!‘ „Wer ist für die Analyse verantwortlich? Darauf haben wir gewartet“, erinnert sich Lesage, ein Doktorand an der University of Alabama in Huntsville. „Lass dir Zeit!“

Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem ungewöhnlichen Ereignis um eine kosmische Explosion handelte, die möglicherweise die hellste Röntgen- und Gammastrahlenenergie seit Beginn der Zivilisation aufwies. Astronomen nannten es „das Boot“, „das hellste von allen“. Lesage leitete eine Analyse der Fermi-Daten, die zeigte, wie hell das Boot wirklich war. Mehr als 150 Teleskope im Weltraum und auf der Erde folgten, um weitere Details über das Ereignis zu erhalten NASAIXPE (X-ray Polarimetry Explorer), das Hubble-Weltraumteleskop, das James Webb-Weltraumteleskop sowie das XMM-Newton-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation.

Das Universum verändert sich

Das Boot ist ein Beispiel für das, was Astronomen Zeitbereichs- und Multi-Message-Astronomie nennen. Der „Zeitbereich“-Teil bezieht sich auf Ereignisse im Universum, die Teleskope beobachten können, während sie auftreten, beispielsweise eine Supernova oder die Verschmelzung zweier Neutronensterne. „Multi-Messenger-Astronomie“ bezieht sich auf eine Vielzahl von „Boten“, die Informationen aus dem Universum übertragen, darunter alle Formen von Licht, hochenergetischen Teilchen und Wellen in der Raumzeit Gravitationswellen.

Während sich das Universum über Millionen oder sogar Milliarden von Jahren sehr langsam zu verändern scheint, bewirken seine himmlischen Bewohner manchmal dramatische Veränderungen innerhalb von Tagen oder sogar Bruchteilen von Sekunden. Galaxienzentren leuchten, wenn ihre zentralen Schwarzen Löcher Materie fressen. Schwarze Löcher absaugen Plasma Von nahen Sternen. Die Sterne explodieren. Neutronensterne kollidieren mit Schwarzen Löchern, Neutronensterne kollidieren mit Neutronensternen und Schwarze Löcher verschmelzen mit Schwarzen Löchern. Selbst weit entfernte Kollisionen von Himmelskörpern 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 werden.

Die NASA verfügt über zwei „Beobachter“-Satelliten mit weiten Sichtfeldern, die Warnungen aussenden, wenn sie eine plötzliche Aufhellung der Gammastrahlung feststellen: Fermi und Swift. Fermis Gamma-ray Burst Observer, das Large Area Telescope und das Swift Burst Alert Telescope sind Schlüsselinstrumente, die diese Ereignisse möglicherweise als erste erkennen.

„Wenn etwas Impulsives passiert, wenn etwas explodiert und explodiert oder etwas zerdrückt wird und zusammenbricht, dann passiert das“, sagte Valerie Connaughton, die das Portfolio für Hochenergie-Astrophysik und die Time-Domain and Multimessaging Astronomy Initiative innerhalb der Astrophysik-Abteilung der NASA leitet. Hauptsitz in Washington.

Sobald Wissenschaftler eine Warnung auf ihren Computern und Telefonen erhalten, können sie sich möglicherweise mit anderen Teleskopen zusammenschließen, um das Ereignis zu verfolgen. Durch den Einsatz verschiedener Observatorien und Weltrauminstrumente zur Untersuchung dieser äußerst unvorhersehbaren Blitze können Wissenschaftler herausfinden, was, wo, wann und warum sie in der üblichen Stille des Weltraums einen „Blip“ beobachtet haben.

Nach dem Vergleich der Beobachtungen des Bootes mit mehreren Teleskopen stellten die Wissenschaftler fest, dass diese ungewöhnlich helle Explosion von einer Supernova herrührte, genauer gesagt vom Kernkollaps eines schnell rotierenden massereichen Sterns. Und später mit Daten der NASA Nustar Während der Mission stellten Wissenschaftler fest, dass der vom explodierenden Stern freigesetzte Materialfluss eine komplexere Form hatte, als sie ursprünglich angenommen hatten.

„„Ein riesiger Stern ist gerade explodiert, und wir müssen 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, die grundlegende Physik selbst und den Ursprung der Elemente zu erhalten.“

— Eric Burns, Astrophysiker, Louisiana State University

Neue helle Signale

Nur fünf Monate nach dem Boot erhielten Wissenschaftler von Fermi eine Warnung über den zweithellsten Gammastrahlenausbruch der letzten 50 Jahre. Dieses neuere Signal ist GRB 230307A, der sich im März 2023 ereignete, schloss sich dem Boot in der Kategorie der „langen“ Gammastrahlenausbrüche an, die 200 Sekunden dauerten, verglichen mit 600 Sekunden beim Boot. Dank Infrarotdaten der NASA James Webb-WeltraumteleskopWissenschaftler haben festgestellt, dass GRB 230307A wahrscheinlich einen ganz anderen Ursprung hat: die Verschmelzung zweier Neutronensterne etwa eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Darüber hinaus entdeckte Webb das seltene Element Tellur, was darauf hindeutet Neutronenstern Durch Fusionen entstehen schwere Dinge wie diese.

Dieses Ergebnis gibt Astronomen wie Eric Burns, Co-Autor der Arbeit GRB 230307A und Mitglied des Fermi-Teams an der Louisiana State University, immer noch Rätsel auf. Verschmelzungen von Neutronensternen dürften keine so langen Gammastrahlenausbrüche hervorrufen, 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 Veranstaltungen zu erfahren.

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

Dieses vom NIRCam-Instrument (Nahinfrarotkamera) des James Webb-Weltraumteleskops der NASA aufgenommene Bild zeigt den Gammastrahlenausbruch (GRB) 230307A und die zugehörige Kilonova sowie seine frühere Muttergalaxie neben dem lokalen Lebensraum anderer Galaxien und Vordergrundsterne. Die GRBs wurden wahrscheinlich durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne angetrieben. Die Neutronensterne wurden aus ihrer Muttergalaxie herausgeschleudert und legten eine Strecke von etwa 120.000 Lichtjahren zurück, was ungefähr dem Durchmesser der Milchstraße entspricht, bevor sie mehrere hundert Millionen Jahre später endgültig verschmolzen. Bildquelle: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

Viele Boten

Mit vorübergehenden kosmischen Blitzen verbundene kosmische „Boten“ helfen Wissenschaftlern auch bei der Rekonstruktion ihrer Ursprünge. Erstmalige Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015 durch LegoDas Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium zeigte, dass das Universum auf völlig neue Weise beobachtet werden konnte, und eröffnete eine neue Ära, in der mehrere Boten zur Untersuchung plötzlicher Fluktuationen im Universum eingesetzt werden konnten.

Im Jahr 2017 demonstrierten Wissenschaftler diese Möglichkeit, indem sie Gravitationswellenbeobachtungen mit Daten verschiedener boden- und weltraumgestützter Observatorien kombinierten, um eine Kilonova oder Neutronensternverschmelzung mit dem Namen GW170817 zu untersuchen. Burns und seine Kollegen nutzten die Erkenntnisse aus der umfassenden Untersuchung dieser Kilonovas, um die erste präzise Messung der Gravitationsgeschwindigkeit durchzuführen, „die letzte große Bestätigung von Einsteins Vorhersage“, sagte er.

Heute sucht das LIGO-Netzwerk, unterstützt von der US-amerikanischen National Science Foundation, der europäischen VIRGO und der japanischen KAGRA, nach Gravitationswellenereignissen.

In dieser Abbildung drehen sich zum Scheitern verurteilte Neutronensterne ihrem Untergang entgegen. Gravitationswellen entziehen der Umlaufbahn Energie, wodurch Sterne näher zusammenrücken und verschmelzen. Bei der Kollision wird ein Teil der Trümmer in Partikelstrahlen weggeschleudert, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und einen kurzen Gammastrahlenausbruch erzeugen. Bildquelle: NASA Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Laboratory

Licht ist die einzige Art von „Boten“ aus dem Universum, die sowohl für das Boot als auch für den Gammastrahlenausbruch entdeckt wurde, der offenbar Tellur produziert hat. Ein von NSF unterstütztes Experiment namens IceCube in der Nähe der Antarktis suchte nach hochenergetischen Neutrinos, die aus derselben Himmelsregion wie jedes Ereignis stammten, fand aber keine. Der Mangel an beobachteten Neutrinos hilft Wissenschaftlern jedoch dabei, die Möglichkeiten einzuschränken, wie diese Ereignisse auftreten.

„Dieser Multiple-Messaging-Ansatz ist wichtig, auch wenn keine Erkennung möglich ist“, sagte Michela Nigro, Astrophysikerin und Assistenzprofessorin an der Louisiana State University. „Es hilft wirklich, einige Szenarien auszuschließen und uns etwas Neues zu sagen, wenn wir Entdeckungen machen.“

Vielversprechende Zukunft

Für Lesage, der seine Abschlussarbeit über das Boot schreibt, sind Zeitbereichsastronomie und Mehrfachkorrespondenzen ein spannendes Forschungsgebiet. Im selben Boot sitzen er und andere Astronomen immer noch, während sie alle Prozesse betrachten, die das außergewöhnlich helle Licht dieses intensiven Ereignisses offenbart. Aber es wird mit Sicherheit noch mehr vorübergehende Ereignisse geben, und sie werden die Wissenschaftler auf Trab halten, während sie ihnen mit einer Vielzahl von Teleskopen und Instrumenten nachjagen.

„Es sind nur vorübergehende Ereignisse, schauen Sie jetzt hin, sonst verpassen Sie es“, sagte Lesage. „Sehen Sie so schnell wie möglich.“

Weiterführende Literatur: Teleskope im Koffer

In den nächsten Jahren wird die NASA neue „Beobachtungssatelliten“ starten, um bei der Suche nach plötzlichen vorübergehenden Ereignissen wie diesem zu helfen. Es umfasst mehrere CubeSatseine Klasse von Miniaturraumfahrzeugen, die aus standardisierten Würfelmodulen mit einer Seitenlänge von 4 Zoll (10 cm) aufgebaut sind:

• BurstCubeEs wird im März 2024 gestartet, um Gammastrahlensignale zu überwachen
• BlackCat soll 2025 auf den Markt kommen und Röntgenlicht erkennen
• StarburstEs wird 2027 zur Überwachung von Gammastrahlensignalen gestartet

Zu den internationalen Partnerschaften gehört auch diese Art von Wissenschaft:

• Terrassen (The Transient Ultraviolet Astronomy Satellite), ein kleiner Satellit der Israel Space Agency und des Weizmann Institute of Science mit einem weiten Sichtfeld, der auf ultraviolettes Licht spezialisiert ist, verfügt über Beiträge der NASA. Die Markteinführung ist für 2026 geplant.

Darüber hinaus können NASA-Teleskope mit anderen Hauptzielen bei der Suche nach diesen ungewöhnlichen Ereignissen helfen:

• Geistauf dem Weg zum metallreichen Asteroiden Psyche, verfügt über ein Gammastrahlenspektrometer, mit dem Astronomen in den nächsten Jahren Gammastrahlenausbrüche erkennen können, während die Raumsonde ihrem Ziel entgegenfliegt.
• weise, das den Himmel im Infrarotwellenlängenbereich kartierte, entdeckte viele neue entfernte Objekte und kosmische Phänomene. Die Neue Wege Die Mission, die das WISE-Teleskop wiederverwendet, durchsucht den erdnahen Weltraum nach potenziell gefährlichen Asteroiden.
• Das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA, ein Infrarot-Observatorium, das Licht in die Geheimnisse der alten dunklen Energie bringen und Tausende von Exoplaneten entdecken wird, ist für einen weiten Blick in den Himmel konzipiert und wird zweifellos flüchtige Infrarotsignale empfangen. Das Observatorium wird mehrere Untersuchungen durchführen, um nach diesen Phänomenen zu suchen, und die Mission wird mehrere Teams dabei unterstützen, verwandte Themen zu untersuchen, die von veränderlichen Sternen bis zur Entstehung von Schwarzen Löchern und aktiven Galaxien reichen. Der Start von Roman ist für Mai 2027 geplant und wird auch Warnungen über erkannte Veränderungen am Himmel ausgeben.
• Mission „Near Earth Object Surveyor“ (NEO Surveyor). Mithilfe von Infrarotdetektoren soll die Suche nach Asteroiden und Kometen ausgeweitet werden, die eine Gefahr für die Erde darstellen könnten. Es wird erwartet, dass die von NEO Surveyor aufzunehmenden Bilder auch viele entfernte Hintergrundobjekte erfassen.