Een paar verre explosies ontdekt door NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope en Neil Gehrels Swift Observatory hebben het licht met de hoogste energie geproduceerd dat tot nu toe is waargenomen bij deze gebeurtenissen. gammastraaluitbarstingen (GRB's) genoemd. De record-setting detecties, gemaakt door twee verschillende observatoria op de grond, nieuwe inzichten verschaffen in de mechanismen die gammaflitsen aansturen.

Astronomen herkenden het GRB-fenomeen 46 jaar geleden voor het eerst. De ontploffingen verschijnen ongeveer één keer per dag op willekeurige plaatsen in de lucht, gemiddeld.

Het meest voorkomende type GRB treedt op wanneer een ster die veel massiever is dan de zon, geen brandstof meer heeft. De kern stort in en vormt een zwart gat, die vervolgens stralen deeltjes naar buiten blaast met bijna de lichtsnelheid. Deze jets doorboren de ster en gaan verder de ruimte in. Ze produceren een eerste puls van gammastraling - de meest energetische vorm van licht - die meestal ongeveer een minuut duurt.

Terwijl de straaljagers naar buiten vliegen, ze interageren met omringend gas en zenden licht uit over het spectrum, van radio tot gammastraling. Deze zogenaamde nagloeiingen kunnen tot maanden worden gedetecteerd - en zelden, zelfs jaren - na de uitbarsting bij langere golflengten.

"Veel van wat we de afgelopen decennia over GRB's hebben geleerd, is afkomstig van het observeren van hun nagloeien bij lagere energieën, " zei Elizabeth Hays, de Fermi-projectwetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Nutsvoorzieningen, dankzij deze nieuwe gronddetecties, we zien de gammastralen van gammastraaluitbarstingen op een geheel nieuwe manier."

Twee artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Natuur beschrijf elk van de ontdekkingen. Een derde paper analyseert een van de bursts met behulp van een rijke reeks multigolflengtegegevens van observatoria in de ruimte en op de grond. Een vierde document, geaccepteerd door The Astrofysisch tijdschrift , verkent de Fermi- en Swift-gegevens in meer detail.

Op 14 januari 2019, net voor 16.00 uur EST, zowel de Fermi- als de Swift-satellieten detecteerden een piek van gammastraling van het sterrenbeeld Fornax. De missies waarschuwden de astronomische gemeenschap voor de locatie van de uitbarsting, genaamd GRB 190114C.

Een faciliteit die de waarschuwingen ontving, was het Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC)-observatorium, gelegen op La Palma op de Canarische Eilanden, Spanje. Beide 17-meter telescopen draaiden automatisch naar de plaats van de vervagende burst. Ze begonnen de GRB slechts 50 seconden nadat deze was ontdekt te observeren en vingen de meest energetische gammastraling op die tot nu toe door deze gebeurtenissen is waargenomen.

De energie van zichtbaar licht varieert van ongeveer 2 tot 3 elektronvolt. In 2013, Fermi's Large Area Telescope (LAT) detecteerde licht met een energie van 95 miljard elektronvolt (GeV), dan de hoogste gezien vanuit een burst. Dit valt net onder de 100 GeV, de drempel voor zogenaamde zeer hoge energie (VHE) gammastraling. Met GRB 190114C, MAGIC werd de eerste faciliteit die eenduidige VHE-emissie rapporteerde, met energieën tot een biljoen elektronvolt (1 TeV). Dat is 10 keer de piekenergie die Fermi tot nu toe heeft gezien.

"Twintig jaar geleden, we hebben MAGIC speciaal ontworpen om te zoeken naar VHE-emissie van GRB's, dus dit is een enorm succes voor ons team, " zei co-auteur Razmik Mirzoyan, een wetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Natuurkunde in München en de woordvoerder van de MAGIC-samenwerking. "De ontdekking van TeV-gammastralen van GRB 190114C laat zien dat deze explosies nog krachtiger zijn dan eerder werd gedacht. Wat nog belangrijker is, onze detectie maakte een uitgebreide vervolgcampagne mogelijk waarbij meer dan twee dozijn observatoria betrokken waren, biedt belangrijke aanwijzingen voor de fysieke processen die in GRB's aan het werk zijn."

Deze omvatten NASA's NuSTAR-missie, de XMM-Newton röntgensatelliet van de European Space Agency, de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop, naast Fermi en Swift, samen met vele observatoria op de grond. Hubble-beelden die in februari en maart werden gemaakt, legden de optische nagloeiing van de burst vast. Ze laten zien dat de ontploffing is ontstaan ​​in een spiraalstelsel op ongeveer 4,5 miljard lichtjaar afstand. Dit betekent dat het licht van deze GRB naar ons begon te reizen toen het universum tweederde van zijn huidige leeftijd was.

Het derde artikel presenteert observaties van een andere burst, die Fermi en Swift beiden op 20 juli ontdekten, 2018. Tien uur na hun waarschuwingen, het High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) wees zijn grote, 28-meter gammastralingstelescoop naar de locatie van de burst, genaamd GRB 180720B. Een zorgvuldige analyse die in de weken na het evenement werd uitgevoerd, bracht aan het licht dat H.E.S.S. duidelijk gedetecteerde VHE-gammastralen met energieën tot 440 GeV. Nog opmerkelijker, de gloed hield aan gedurende twee uur na het begin van de waarneming. Het vangen van deze emissie zo lang na de detectie van de GRB is zowel een verrassing als een belangrijke nieuwe ontdekking.

Wetenschappers vermoeden dat de meeste gammastralen van GRB-nagloeiingen afkomstig zijn van magnetische velden aan de voorrand van de jet. Hoogenergetische elektronen die in de velden spiraliseren, zenden rechtstreeks gammastralen uit via een mechanisme dat synchrotron-emissie wordt genoemd.

Maar zowel de H.E.S.S. en MAGIC-teams interpreteren de VHE-emissie als een afzonderlijke nagloeicomponent, wat betekent dat er een extra proces aan het werk moet zijn. De beste kandidaat, ze zeggen, is inverse Compton-verstrooiing. Hoogenergetische elektronen in de jet botsen tegen gammastraling met lagere energie en stimuleren ze tot veel hogere energieën.

In het document waarin de observaties van Fermi en Swift worden beschreven, de onderzoekers concluderen dat er inderdaad een extra fysiek mechanisme nodig kan zijn om de VHE-emissie te produceren. Binnen de lagere energieën die door deze missies worden waargenomen, echter, de stroom van synchrotron-gammastralen maakt het ontdekken van een tweede proces veel moeilijker.

"Met Fermi en Swift, we zien geen direct bewijs van een tweede emissiecomponent, " zei S. Bradley Cenko van Goddard, de hoofdonderzoeker voor Swift en een co-auteur van de Fermi-Swift en multiwavelength-papers. "Echter, als de VHE-emissie alleen door het synchrotronproces ontstaat, dan zullen fundamentele aannames die worden gebruikt bij het schatten van de piekenergie die door dit mechanisme wordt geproduceerd, worden herzien."

Toekomstige burst-waarnemingen zullen nodig zijn om het fysieke beeld te verduidelijken. De nieuwe VHE-gegevens openen een nieuwe weg voor het begrijpen van GRB's, een die verder zal worden uitgebreid door MAGIC, H.E.S.S. en er wordt nu een nieuwe generatie gammastralingstelescopen op de grond gepland.