Ich habe zufällig ein Teleskop, das auf die hellste jemals gesehene Supernova gerichtet ist – Ars Technica

Supernovae gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Eine Untergruppe davon umfasst Gammastrahlenausbrüche, bei denen ein Großteil der emittierten Energie von extrem energiereichen Photonen stammt. Wir glauben zu wissen, warum dies im Allgemeinen geschieht: Das von der Explosion übrig gebliebene Schwarze Loch stößt Materialstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus. Aber die Einzelheiten darüber, wie und wo diese Jets Photonen erzeugen, sind noch lange nicht vollständig geklärt.

Leider ereignen sich diese Ereignisse zu schnell und zu weit entfernt, sodass es nicht einfach ist, detaillierte Aufzeichnungen darüber zu erhalten. Allerdings könnte uns ein aktueller Gammastrahlenausbruch namens BOAT (Brightest Ever Recorded) neue Informationen über Ereignisse innerhalb weniger Tage nach der Supernova-Explosion liefern. In einem neuen Artikel werden Daten eines Teleskops beschrieben, das in die richtige Richtung zeigte und empfindlich auf die extrem energiereiche Strahlung des Ereignisses reagierte.

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Das oben erwähnte „Teleskop“ ist Großes Luftschauer-Observatorium in großer Höhe (LHAASO). Das Observatorium liegt 4.400 Meter über dem Meeresspiegel und besteht aus einer Reihe von Instrumenten, die kein Teleskop im herkömmlichen Sinne sind. Stattdessen soll es Luftschauer einfangen – eine komplizierte Kette aus Trümmern und Photonen, die entstehen, wenn hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum mit der Atmosphäre kollidieren.

Obwohl sie im Vergleich zu herkömmlichen Teleskopen begrenzt sind, bieten Luftschauerdetektoren im Hinblick auf Veranstaltungen wie 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. Sie reagieren nur auf hochenergetische Ereignisse, was bedeutet, dass das Tageslicht zu energiearm ist, um zu stören, sodass sie rund um die Uhr arbeiten können.

Da LHAASO zum Zeitpunkt des Ausbruchs der BOAT-Supernova Daten erfasste, erfassten seine Detektoren nicht nur den Beginn des Ereignisses, sondern konnten auch dessen Entwicklung mehrere Tage lang verfolgen. Obwohl die räumliche Auflösung schlecht war, gab es eine riesige Datenmenge, alle nach Wellenlänge getrennt. In den ersten 100 Minuten wurden mehr als 64.000 Photonen mit Energien über 200 GeV nachgewiesen. Zum Vergleich: Die Umwandlung der gesamten Masse eines Protons in Energie ergibt knapp ein GeV.

Eines der ersten Dinge, die offensichtlich waren, war, dass es einen großen Unterschied zwischen Photonen bei niedrigeren (aber immer noch sehr hohen!) Energien und denen an den extremeren Enden des elektromagnetischen Spektrums gab. Daten von Photonen, die über dem TeV lagen, veränderten sich im Laufe der Zeit reibungslos, während diejenigen im Megaelektronenvolt-Bereich auf und ab schwankten.

Die Daten verstehen

Die Forscher vermuten, dass diese Daten mit der Annahme übereinstimmen, dass Ereignisse mit niedriger Energie durch die Wechselwirkung der Jets mit den turbulenten Trümmern der Supernova verursacht werden. Da diese Trümmer komplex wären und sich in der Nähe der Quelle der Jets befinden würden, würde dies die Menge der Weltraumteilchen in den Jets, die beschleunigt werden müssten, begrenzen und so deren Energie begrenzen.

Im Gegensatz dazu werden Photonen mit höherer Energie in Regionen erzeugt, in denen die Jets die Trümmer der Supernova weggeschabt haben und begonnen haben, mit der Materie zu interagieren, aus der die Umgebung des Sterns besteht – Teilchen, die wahrscheinlich vom Sternäquivalent des Sonnenwinds bombardiert werden. 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 TeV erforderlich sind.

Obwohl es schwierig erscheint, an den Supernova-Trümmern vorbeizukommen, geht der Prozess sehr schnell vonstatten, da die Jets die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Daher dauert es nur etwa fünf Sekunden, um den schnellen Anstieg der TeV-Photonen in den Daten zu erkennen.

Von dort aus geht es sanfter bergab, der etwa 13 Sekunden dauert. Das Forschungsteam, das hinter der Arbeit steht, geht davon aus, dass die Jets dabei mit Teilchen in der Umgebung jenseits des Sternüberrests interagieren und diese beschleunigen. Dies erhöht die Anzahl hochenergetischer Photonen, entzieht den Jets aber gleichzeitig einen Teil der Energie, da sie auf ihrem Weg durch die Umgebung gegen einen größeren Materialhaufen gedrückt werden.

Schließlich zieht diese Materialansammlung so viel Energie auf, 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 der hochenergetischen Photonen. Es wird angenommen, dass dies dadurch verursacht wird, dass die Jets breiter werden, je weiter sie sich von ihrer Quelle entfernen, was bedeutet, dass das Boot so hell war, wie wir es beobachteten, weil der zentrale Kern seines Jets direkt auf den Boden gerichtet war. Der Zeitpunkt dieses Sinkflugs gibt auch Aufschluss darüber, wie breit das Flugzeug zu diesem Zeitpunkt ist.

Über diese Ereignisse gibt es noch viel zu lernen – wir sind uns zum Beispiel immer noch nicht sicher, wie Schwarze Löcher überhaupt Materialstrahlen freisetzen. Aber solche detaillierten Beobachtungen können uns eine bessere Vorstellung vom Zeitpunkt und der Dynamik der Jet-Bildung geben, was letztendlich dazu beitragen wird, Modelle dafür zu liefern, was bei der Bildung von Schwarzen Löchern und Jets passiert.

Wissenschaft, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328 (über DOIs).