De sterkste explosies in het heelal produceren nog meer energetische straling dan voorheen bekend was:met behulp van gespecialiseerde telescopen, twee internationale teams hebben de hoogste energie-gammastralen geregistreerd die ooit zijn gemeten door zogenaamde gammastraaluitbarstingen, bereikt ongeveer 100 miljard keer zoveel energie als zichtbaar licht. De wetenschappers van de H.E.S.S. en MAGIC-telescopen presenteren hun waarnemingen in onafhankelijke publicaties in het tijdschrift Natuur . Dit zijn de eerste detecties van gammastraaluitbarstingen met gammastraaltelescopen op de grond. DESY speelt een grote rol in beide observatoria, die worden geëxploiteerd onder leiding van de Max Planck Society.

Gammastraaluitbarstingen (GRB) zijn plotseling, ongeveer één keer per dag ergens in het zichtbare heelal korte uitbarstingen van gammastraling. Volgens de huidige kennis, ze zijn afkomstig van botsende neutronensterren of van supernova-explosies van gigantische zonnen die instorten in een zwart gat. "Gammastraaluitbarstingen zijn de krachtigste explosies die in het universum bekend zijn en geven doorgaans in slechts een paar seconden meer energie vrij dan onze zon gedurende zijn hele leven - ze kunnen door bijna het hele zichtbare universum schijnen, " legt David Berge uit, hoofd gamma-astronomie bij DESY. Het kosmische fenomeen werd eind jaren zestig bij toeval ontdekt door satellieten die werden gebruikt om de naleving van het verbod op kernproeven op aarde te controleren.

Vanaf dat moment, astronomen hebben gammastraaluitbarstingen bestudeerd met satellieten, aangezien de atmosfeer van de aarde zeer effectief gammastraling absorbeert. Astronomen hebben gespecialiseerde telescopen ontwikkeld die een zwakke blauwe gloed kunnen waarnemen, Cherenkov-licht genaamd, die kosmische gammastraling in de atmosfeer induceert, maar deze instrumenten zijn alleen gevoelig voor gammastraling met zeer hoge energieën. Helaas, de helderheid van gammaflitsen daalt steil met toenemende energie. Cherenkov-telescopen hebben veel bronnen van kosmische gammastraling met zeer hoge energieën geïdentificeerd, maar geen gammaflitsen. Satellieten, anderzijds, hebben veel te kleine detectoren om gevoelig te zijn voor de lage helderheid van gammaflitsen bij zeer hoge energieën. Dus, het was feitelijk onbekend, als de monsterexplosies ook gammastraling uitzenden in het zeer-hoge-energieregime.

Wetenschappers hebben jarenlang geprobeerd, om een ​​gammaflits te vangen met Cherenkov-telescopen. Dan ineens, tussen zomer 2018 en januari 2019, twee internationale teams van astronomen, beide met DESY-wetenschappers, detecteerde voor het eerst gammastraling van twee GRB-gebeurtenissen vanaf de grond. Op 20 juli 2018, vage nagloeiemissie van GRB 180720B in het gammastralingsregime werd waargenomen met de 28-meter telescoop van het High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. in Namibië. Op 14 januari 2019, heldere vroege emissie van GRB 190114C werd gedetecteerd door de Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) telescopen op La Palma, en onmiddellijk aangekondigd aan de astronomische gemeenschap.

Beide waarnemingen werden geactiveerd door gammastralingssatellieten van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, die de lucht controleren op gammaflitsen en bij detectie automatische waarschuwingen naar andere gammastralingsobservatoria sturen. "We waren in staat om zo snel naar de regio van oorsprong te wijzen dat we slechts 57 seconden na de eerste detectie van de explosie konden beginnen met observeren, " meldt Cosimo Nigro van de MAGIC-groep bij DESY, die op dat moment de leiding had over de observatieploeg. "In de eerste 20 minuten van observatie, we hebben duizenden fotonen gedetecteerd van GRB 190114C."

MAGIC registreerde gammastraling met energieën tussen 200 en 1000 miljard elektronvolt (0,2 tot 1 teraelektronvolt). "Dit zijn verreweg de fotonen met de hoogste energie die ooit zijn ontdekt door een gammastraaluitbarsting, " zegt Elisa Bernardini, leider van de MAGIC-groep bij DESY. Ter vergelijking:zichtbaar licht ligt in het bereik van ongeveer 1 tot 3 elektronvolt.

Dankzij de snelle ontdekking kon de hele observatiegemeenschap snel worden gewaarschuwd. Als resultaat, meer dan twintig verschillende telescopen hadden een diepere blik op het doel. Hierdoor konden de details worden bepaald van het fysieke mechanisme dat verantwoordelijk is voor de hoogste energie-emissie, zoals beschreven in het tweede artikel onder leiding van de MAGIC-samenwerking. Vervolgwaarnemingen plaatsten GRB 190114C op een afstand van meer dan vier miljard lichtjaar. Dit betekent, zijn licht reisde meer dan vier miljard jaar naar ons toe, of ongeveer een derde van de huidige leeftijd van het universum.

GRB 180720B, op een afstand van zes miljard lichtjaar nog verder weg, lang na de eerste ontploffing nog steeds kunnen worden gedetecteerd in gammastraling met energieën tussen 100 en 440 miljard elektronvolt. "Verrassend genoeg, de H.E.S.S. telescoop een overschot van 119 gammaquanta waargenomen vanuit de richting van de burst meer dan tien uur nadat de explosie voor het eerst door satellieten werd waargenomen, " zegt Stefan Ohm, hoofd van de H.E.S.S. groep bij DESY.

"De ontdekking kwam vrij onverwacht, aangezien gammaflitsen snel vervagen, een nagloeiing achterlatend die uren tot dagen zichtbaar is op vele golflengten, van radio tot röntgenstraling, maar was nog nooit eerder gedetecteerd in gammastraling met zeer hoge energie, " voegt DESY-theoreticus Andrew Taylor toe, die hebben bijgedragen aan de H.E.S.S. analyse. "Dit succes is ook te danken aan een verbeterde vervolgstrategie waarin we ons ook concentreren op waarnemingen op latere tijdstippen na de daadwerkelijke instorting van de ster."

De detectie van gammaflitsen met zeer hoge energieën levert belangrijke nieuwe inzichten op in de gigantische explosies. "Nadat we hebben vastgesteld dat GRB's fotonen produceren met energie die honderden miljarden keren hoger is dan zichtbaar licht, we weten nu dat GRB's in staat zijn om deeltjes in de explosie-ejecta efficiënt te versnellen, " zegt DESY-onderzoeker Konstancja Satalecka, een van de wetenschappers die GRB-zoekopdrachten coördineert in de MAGIC-samenwerking. "Bovendien, het blijkt dat we tot nu toe ongeveer de helft van hun energiebudget misten. Onze metingen laten zien dat de energie die vrijkomt bij gammastraling met zeer hoge energie vergelijkbaar is met de hoeveelheid die wordt uitgestraald bij alle lagere energieën samen. Dat is opmerkelijk!"

Het is een uitdaging om uit te leggen hoe de waargenomen gammastraling met zeer hoge energie wordt gegenereerd. Beide groepen gaan uit van een proces in twee fasen:ten eerste, snelle elektrisch geladen deeltjes uit de explosiewolk worden afgebogen in de sterke magnetische velden en zenden zogenaamde synchrotronstraling uit, die van dezelfde aard is als de straling die kan worden geproduceerd in synchrotrons of andere deeltjesversnellers op aarde, bijvoorbeeld bij DESY. Echter, alleen onder vrij extreme omstandigheden zouden de synchrotron-fotonen van de explosie de waargenomen zeer hoge energieën kunnen bereiken. In plaats daarvan, de wetenschappers overwegen een tweede stap, waar de synchrotron-fotonen botsen met de snelle deeltjes die ze hebben gegenereerd, waardoor ze worden opgevoerd tot de zeer hoge geregistreerde gammastralingsenergieën. De wetenschappers noemen de laatste stap inverse Compton-verstrooiing.

"Voor de eerste keer, de twee instrumenten hebben gammastraling gemeten van gammastraaluitbarstingen vanaf de grond, " concludeert Berge. "Deze twee baanbrekende waarnemingen hebben gammastraaluitbarstingen bewezen als bronnen voor terrestrische gammastraaltelescopen. Dit heeft het potentieel om ons begrip van deze gewelddadige verschijnselen aanzienlijk te vergroten." De wetenschappers schatten dat er tot tien van dergelijke gebeurtenissen per jaar kunnen worden waargenomen met de geplande Cherenkov Telescope Array (CTA), de volgende generatie gammastralingsobservatorium. De CTA zal bestaan ​​uit meer dan 100 afzonderlijke telescopen van drie typen die op twee locaties op het noordelijk en zuidelijk halfrond zullen worden gebouwd. DESY is verantwoordelijk voor de bouw van de middelgrote telescopen en zal op haar campus in Zeuthen het Science Data Management Center van CTA huisvesten. De CTA-waarnemingen zullen naar verwachting op zijn vroegst in 2023 beginnen.