Wetenschappers hebben tot nu toe het beste zicht gekregen op de helderste explosies in het universum:een gespecialiseerd observatorium in Namibië heeft de meest energetische straling en de langste gammastraling van een zogenaamde gammastraaluitbarsting (GRB) tot nu toe geregistreerd. De waarnemingen met het High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) dagen het gevestigde idee uit hoe gammastraling wordt geproduceerd in deze kolossale stellaire explosies die de geboortekreten zijn van zwarte gaten, zoals het internationale team meldt in het tijdschrift Wetenschap .

"Gammastraaluitbarstingen zijn heldere röntgen- en gammastraalflitsen die in de lucht worden waargenomen, uitgezonden door verre extragalactische bronnen, " legt DESY-wetenschapper Sylvia Zhu uit, een van de auteurs van het artikel. "Het zijn de grootste explosies in het universum en worden geassocieerd met de ineenstorting van een snel roterende massieve ster tot een zwart gat. Een fractie van de vrijgekomen zwaartekrachtsenergie voedt de productie van een ultrarelativistische explosiegolf. Hun emissie is verdeeld in twee verschillende fasen:een aanvankelijke chaotische promptfase van tientallen seconden, gevolgd door een langdurige soepel vervagende nagloeifase."

Op 29 augustus 2019 detecteerden de satellieten Fermi en Swift een gammaflits in het sterrenbeeld Eridanus. De gebeurtenis, gecatalogiseerd als GRB 190829A volgens de datum van optreden, bleek een van de dichtstbijzijnde gammaflitsen te zijn die tot nu toe zijn waargenomen, met een afstand van ongeveer een miljard lichtjaar. Ter vergelijking:de typische gammaflits bevindt zich op ongeveer 20 miljard lichtjaar afstand. "We zaten echt op de eerste rij toen deze gammaflits plaatsvond, " legt co-auteur Andrew Taylor van DESY uit. Het team ving de nagloed van de explosie onmiddellijk op toen deze zichtbaar werd voor de H.E.S.S.-telescopen. "We konden de nagloed enkele dagen observeren en tot ongekende gammastralingsenergieën, " meldt Taylor.

De relatief korte afstand tot deze gammastraaluitbarsting maakte gedetailleerde metingen van het spectrum van de nagloed mogelijk, dat is de verdeling van "kleuren, " of foton-energieën, van de straling in het zeer hoge energiebereik. "We zouden het spectrum van GRB 190829A kunnen bepalen tot een energie van 3,3 tera-elektronvolt, dat is ongeveer een biljoen keer zo energiek als de fotonen van zichtbaar licht, " legt co-auteur Edna Ruiz-Velasco uit van het Max Planck Instituut voor Nucleaire Fysica in Heidelberg. "Dit is wat zo uitzonderlijk is aan deze gammastraaluitbarsting - het gebeurde in onze kosmische achtertuin waar de zeer hoogenergetische fotonen niet werden geabsorbeerd in botsingen met achtergrondlicht op weg naar de aarde, zoals het gebeurt over grotere afstanden in de kosmos."

Het team kon de nagloeiing volgen tot drie dagen na de eerste explosie. Het resultaat kwam als een verrassing:"Onze waarnemingen onthulden merkwaardige overeenkomsten tussen de röntgenstraling en de zeer energierijke gammastraling van de nagloeiing van de burst, " meldt Zhu. Gevestigde theorieën gaan ervan uit dat de twee emissiecomponenten door afzonderlijke mechanismen moeten worden geproduceerd:de röntgencomponent is afkomstig van ultrasnelle elektronen die worden afgebogen in de sterke magnetische velden van de omgeving van de burst. Dit "synchrotron" -proces is behoorlijk vergelijkbaar met hoe deeltjesversnellers op aarde heldere röntgenstralen produceren voor wetenschappelijk onderzoek.

Echter, volgens bestaande theorieën leek het zeer onwaarschijnlijk dat zelfs de krachtigste explosies in het universum elektronen voldoende zouden kunnen versnellen om direct de waargenomen zeer energierijke gammastralen te produceren. Dit komt door een "burn-off grens, " die wordt bepaald door de balans van versnelling en afkoeling van deeltjes in een versneller. Voor het produceren van gammastraling met zeer hoge energie zijn elektronen nodig met energieën die ver boven de afbrandgrens liggen. In plaats daarvan, huidige theorieën gaan ervan uit dat in een gammaflits, snelle elektronen botsen met synchrotron-fotonen en stimuleren ze daardoor tot gammastralingsenergieën in een proces dat synchrotron-zelf-Compton wordt genoemd.

Maar de waarnemingen van GRB 190829A's nagloeien laten nu zien dat beide componenten, Röntgenstraling en gammastraling, synchroon vervaagd. Ook, het gammastralingsspectrum kwam duidelijk overeen met een extrapolatie van het röntgenstralingsspectrum. Samen, deze resultaten zijn een sterke aanwijzing dat röntgenstralen en zeer energierijke gammastralen in deze nagloed werden geproduceerd door hetzelfde mechanisme. "Het is nogal onverwacht om zulke opmerkelijk vergelijkbare spectrale en temporele kenmerken waar te nemen in de röntgen- en gammastraling-energiebanden met zeer hoge energie, als de emissie in deze twee energiegebieden een verschillende oorsprong had, ", zegt co-auteur Dmitry Khangulyan van de Rikkyo University in Tokio. Dit vormt een uitdaging voor de synchrotron-zelf-Compton-oorsprong van de zeer hoge energie-gammastraling.

De verstrekkende implicatie van deze mogelijkheid benadrukt de noodzaak van verder onderzoek naar zeer hoge energie GRB-nagloeiemissie. GRB 190829A is pas de vierde gammaflits die vanaf de grond is gedetecteerd. Echter, de eerder gedetecteerde explosies vonden veel verder weg in de kosmos plaats en hun nagloed kon slechts gedurende een paar uur worden waargenomen en niet tot energieën boven 1 tera-elektronvolt (TeV). "Kijkend naar de toekomst, de vooruitzichten voor de detectie van gammaflitsen door instrumenten van de volgende generatie zoals de Cherenkov Telescope Array die momenteel in de Chileense Andes en op het Canarische eiland La Palma wordt gebouwd, zien er veelbelovend uit, " zegt H.E.S.S.-woordvoerder Stefan Wagner van Landessternwarte Heidelberg. "De algemene overvloed aan gammastraaluitbarstingen doet ons verwachten dat regelmatige detecties in de zeer hoge energieband vrij algemeen zullen worden, ons helpen om hun fysica volledig te begrijpen."