Gammastraaluitbarstingen (GRB's) zijn korte en extreem krachtige kosmische explosies, plotseling aan de hemel verschijnen, ongeveer een keer per dag. Men denkt dat ze het gevolg zijn van de ineenstorting van massieve sterren of het samensmelten van neutronensterren in verre sterrenstelsels. Ze beginnen met een initiaal, zeer heldere flits, de snelle emissie genoemd, met een duur variërend van een fractie van een seconde tot honderden seconden. De prompte emissie gaat gepaard met de zogenaamde afterglow, een minder helderdere maar langduriger emissie over een breed bereik van golflengten die met de tijd vervaagt. De eerste GRB gedetecteerd door de MAGIC-telescopen, bekend als GRB 190114C, onthult voor het eerst de fotonen met de hoogste energie gemeten vanaf deze objecten.

Deze baanbrekende prestatie van MAGIC biedt een cruciaal nieuw inzicht voor het begrijpen van de fysieke processen die aan het werk zijn in GRB's, die nog steeds mysterieus zijn. De door MAGIC gedetecteerde fotonen moeten afkomstig zijn van een tot nu toe onzichtbaar proces in de nagloeiing van GRB's, duidelijk onderscheiden van het fysieke proces waarvan bekend is dat het verantwoordelijk is voor hun emissie bij lagere energieën. (Zie Side Notes voor meer informatie over GRB's, nagloed, synchrotron-emissie, en de MAGIC telescopen)

MAGIC-detectie en waarnemingen met meerdere golflengten van GRB 190114C

Op 14 januari, 2019, een GRB werd onafhankelijk ontdekt door twee ruimtesatellieten:de Neil Gehrels Swift Observatory en de Fermi Gamma-ray Space Telescope. Het evenement kreeg de naam GRB 190114C, en binnen 22 seconden, de coördinaten in de lucht werden verspreid als een elektronische waarschuwing voor astronomen over de hele wereld, inclusief de MAGIC-samenwerking, die twee Cherenkov-telescopen met een diameter van 17 meter bedient, die zich op La Palma bevinden, Spanje. Omdat GRB's op onvoorspelbare locaties in de lucht verschijnen en vervolgens snel vervagen, hun observatie door telescopen zoals MAGIC vereist een specifieke vervolgstrategie.

Een automatisch systeem verwerkt in realtime de GRB-waarschuwingen van satellietinstrumenten en zorgt ervoor dat de MAGIC-telescopen snel naar de hemelpositie van de GRB wijzen. De telescopen zijn ontworpen om zeer licht te zijn en snel opnieuw te kunnen richten:ondanks het gewicht van 64 ton per stuk, ze kunnen binnen ongeveer 25 seconden elke willekeurige positie aan de hemel bereiken en beginnen te observeren. MAGIC kon de waarneming van GRB 190114C slechts 50 seconden na het begin van de GRB starten.

De analyse van de resulterende gegevens voor de eerste tientallen seconden onthult de emissie van fotonen in de nagloed die teraelectronvolt (TeV) energieën bereikt, dat is, een biljoen keer energieker dan zichtbaar licht. Gedurende deze periode, de emissie van TeV-fotonen van GRB 190114C was 100 keer intenser dan de helderste bekende stabiele bron bij TeV-energieën, de Krabnevel. Op deze manier, GRB 190114C werd de recordzetter als de helderste bekende bron van TeV-fotonen. Zoals verwacht voor GRB afterglows, de emissie vervaagde snel met de tijd, vergelijkbaar met de nagloei-emissie die bekend was bij lagere energieën. De laatste glimpen werden een half uur later door MAGIC gezien.

Voor de allereerste keer, de ondubbelzinnige detectie van TeV-fotonen van een GRB werd slechts een paar uur na de satellietwaarschuwingen aangekondigd door de MAGIC Collaboration aan de internationale gemeenschap van astronomen, na een zorgvuldige controle van de voorlopige gegevens. Dit vergemakkelijkte een uitgebreide campagne van multi-wavelength (MWL) follow-up observaties van GRB 190114C door meer dan twee dozijn observatoria en instrumenten, geeft een volledig observatiebeeld van deze GRB van de radioband tot TeV-energieën. Vooral, optische waarnemingen maakten een meting van de afstand tot GRB 190114C mogelijk. Het bleek dat deze GRB zich in een sterrenstelsel bevindt van waaruit het 4,5 miljard jaar duurde voordat het licht de aarde bereikte.

Fotonen met de hoogste energie van een nieuw onthuld emissieproces

Hoewel in sommige theoretische onderzoeken TeV-emissie in GRB-nagloeiingen was voorspeld, het was lange tijd ongrijpbaar gebleven, ondanks talloze zoektochten naar TeV-energieën in de afgelopen decennia met verschillende instrumenten, inclusief MAGISCH. Welk fysiek mechanisme zit er achter de productie van de TeV-fotonen die uiteindelijk door MAGIC zijn gedetecteerd? Antonio Stamerra, de plaatsvervangend woordvoerder van de MAGIC-samenwerking, wijst erop:"Deze energieën zijn veel hoger dan wat kan worden verwacht van synchrotronstraling, veroorzaakt door hoogenergetische elektronen die in magnetische velden spiraliseren. Dit proces is verantwoordelijk voor de emissie die eerder werd waargenomen bij lagere energieën in GRB-nagloeiingen. Deze nieuwe resultaten, samen met de zeer uitgebreide MWL-gegevens, het eerste ondubbelzinnige bewijs leveren voor een aanvullend, duidelijk emissieproces in de nagloed." Lara Nava, wetenschapper verbonden aan de MAGIC-samenwerking, voegt toe:"Uit ons onderzoek de meest waarschijnlijke oorsprong van de TeV-emissie is het zogenaamde inverse Compton-proces, waar een populatie van fotonen aanzienlijk in energie wordt geschopt door in botsing te komen met elektronen met hoge energie."

"Na meer dan 50 jaar sinds GRB's voor het eerst werden ontdekt, veel van hun fundamentele aspecten blijven mysterieus, " zegt Razmik Mirzoyan, de woordvoerder van de MAGIC Collaboration. "De ontdekking van gammastraling van GRB 190114C in de nieuwe, TeV-venster van het elektromagnetische spectrum laat zien dat de GRB-explosies nog krachtiger zijn dan eerder werd gedacht. De schat aan nieuwe gegevens over GRB 190114C verkregen door MAGIC en de uitgebreide MWL-opvolgwaarnemingen bieden nu belangrijke aanwijzingen om enkele van de mysteries te ontrafelen met betrekking tot de fysieke processen die in GRB's aan het werk zijn."

Een vergelijkende studie van alle eerdere GRB-follow-ups door MAGIC suggereert dat GRB 190114C geen bijzonder unieke gebeurtenis was, afgezien van de relatieve nabijheid (licht duurde 4,5 miljard jaar om de aarde te bereiken), en dat de succesvolle detectie te danken is aan de uitstekende prestaties van het instrument. "MAGIC heeft een nieuw venster geopend om GRB's te bestuderen, " zegt Susumu Inoue, de coördinator van de MAGIC Transients-werkgroep die het meest betrokken is bij het project. "Onze resultaten geven aan dat we mogelijk veel meer GRB's bij TeV-energieën kunnen detecteren. Dit zal de weg vrijmaken voor een veel dieper begrip van deze fascinerende kosmische explosies."

De studie is gepubliceerd in Natuur .