Astronomie

Warum werden in unserer Galaxie keine Gammablitze entdeckt?

Warum werden in unserer Galaxie keine Gammablitze entdeckt?

Ich habe von Wikipedia und anderen Seiten gefunden, dass in der Milchstraße keine GRBs gefunden wurden. Kann jemand einen plausiblen Grund dafür nennen? Warum werden in der Milchstraße keine GRBs nachgewiesen?


Alle Modelle von Gammastrahlenausbrüchen beinhalten extrem energetische Phänomene: bestimmte Arten von Supernovae, das Zusammenwachsen binärer kompakter Objekte, starke Magnetar-Flares oder Gezeitenunterbrechungsereignisse. Es stellt sich heraus, dass diese Ereignisse ziemlich selten sind – tatsächlich so selten, dass man erwarten würde, dass GRBs in einer Milchstraße mit niedriger Rotverschiebung nur alle paar Millionen oder zig Millionen Jahre auftreten (Zhang & Meszaros 2003). Wenn die Milchstraße eine Phase intensiver Sternentstehung durchmachte, die massereichere Sterne und damit mehr Supernovae hervorbringen würde, würde diese Rate steigen, aber immer noch nicht signifikant. Denken Sie daran, dass die galaktische Supernova-Rate beispielsweise nur einige Supernovae pro Jahrhundert beträgt und die überwiegende Mehrheit der Supernovae nicht zu Gammastrahlenausbrüchen führt.

Wir kennen viele extragalaktische GRBs aus mehreren Gründen. Es hilft, dass wir eine große Anzahl von Galaxien beobachten können (dank der Helligkeit der Ausbrüche), und wenn wir Millionen von Milchstraßen-ähnlichen Galaxien betrachten könnten, wäre es nicht überraschend, wenn wir es entdecken könnten $sim$1 Veranstaltung pro Jahr. (Es gibt auch den Vorteil, dass die Sternentstehung mit einer Rotverschiebung ihren Höhepunkt erreicht hat $zsim2$, und daher würden Objekte mit hoher Rotverschiebung eher mehr GRBs erzeugen!)


Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde

Was verursacht Gammastrahlenausbrüche? Der erste Ausbruch wurde vor fast 50 Jahren entdeckt und das Mysterium, das ihren Ursprung umgibt, besteht weiterhin. Wir wissen, dass Gammablitze die energiereichsten Ereignisse im Universum sind!

Um zu verstehen, was ein Gammastrahlenausbruch (oder GRB) ist, müssen Sie zuerst erkennen, dass Gammastrahlen eine Art von Licht sind. Tatsächlich sind Gammastrahlen die energiereichste Form von Licht, die wir kennen. Licht ist eine Energieform, die als elektromagnetische Strahlung bezeichnet wird. Elektromagnetische Strahlung kommt in winzigen Energiepaketen vor, die als Photonen bezeichnet werden. Photonen kommen in einem breiten Energiebereich vor. Elektromagnetische Strahlung kann entsprechend der Energiemenge der Photonen in eine Anordnung gebracht werden. Diese geordnete Anordnung wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet.

Am niederenergetischen Ende des Spektrums finden wir Radiowellen. Sie haben eine sehr lange Wellenlänge. Am hochenergetischen Ende des Spektrums finden wir Gammastrahlen. Sie besitzen eine sehr kurze Wellenlänge. Bei elektromagnetischen Wellen ist die Beziehung zwischen Wellenlänge und Energie eine umgekehrte Beziehung. Je kürzer die Wellenlänge, desto größer die Energie, je länger die Wellenlänge, desto geringer die Energie. Der Mensch kann die Lichtformen am niederenergetischen und hochenergetischen Ende des Spektrums nicht sehen. Wir können nur Licht sehen, das in den sichtbaren Bereich des Spektrums fällt. Sichtbares Licht liegt in der Mitte des Spektrums und macht einen sehr kleinen Prozentsatz des Energiebereichs des gesamten Spektrums aus.

Wenn ein Astronom das Universum nur im sichtbaren Bereich des Spektrums untersuchen würde, würde die große Mehrheit der Ereignisse unbeobachtet bleiben. Kosmologische Ereignisse wie Sternengeburt und Sternentod emittieren Photonen, die im gesamten elektromagnetischen Spektrum auftreten. Dank beträchtlicher technologischer Fortschritte haben Astronomen jetzt die Möglichkeit, das Universum in Radiowellen, Gammastrahlen und allen Energien dazwischen zu sehen. Entfernte Quasare wurden zuerst durch die von ihnen ausgesendeten Radiowellen entdeckt. Galaktischer Staub kann im Infrarotbereich beobachtet werden, während Licht von gewöhnlichen Sternen wie der Sonne im sichtbaren und ultravioletten Bereich beobachtet werden kann. Extrem heißes Gas kann durch die von ihm emittierte Röntgenstrahlung beobachtet werden. Beobachtungen im Gammastrahlenbereich des Spektrums zeigen ein sehr energetisches Universum. Solche energetischen Phänomene wie ein Blazar (der aus einem supermassiven Schwarzen Loch mit Teilchenstrahlen besteht, die in der Nähe des Ereignishorizonts wegschießen), Sonneneruptionen und der radioaktive Zerfall von Atomkernen, die bei Supernova-Explosionen erzeugt werden, erzeugen alle Gammastrahlen.

Was genau ist ein Gammablitz? Mindestens einmal am Tag leuchtet der Himmel mit einem spektakulären Blitz von Gammastrahlen aus dem Weltraum auf (denken Sie daran: Gammastrahlen liegen nicht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, daher sind wir uns der Phänomene nicht bewusst). Die Helligkeit dieses Gammastrahlenblitzes kann alle anderen Gammastrahlenquellen im Universum vorübergehend überwältigen. Gammablitze können in 10 Sekunden mehr Energie freisetzen, als die Sonne in ihrer gesamten Lebensdauer von 10 Milliarden Jahren aussendet. Der Burst kann von einem Bruchteil einer Sekunde bis über tausend Sekunden dauern. Der Zeitpunkt, zu dem der Burst auftritt, und die Richtung, aus der er kommt, können nicht vorhergesagt werden.

Als diese Broschüre im Jahr 2000 zum ersten Mal veröffentlicht wurde, war die genaue Ursache dieser Blitze unbekannt. Damals hatten Astronomen festgestellt, dass die beobachteten Ausbrüche von außerhalb der Milchstraße kamen, und sie glaubten, dass hier in der Milchstraße etwa alle paar Millionen Jahre ein Gammastrahlenausbruch auftreten würde.

Die ersten Gammablitze wurden entdeckt, als Wissenschaftler während der Ära des Kalten Krieges in den 1960er Jahren nach Verstößen gegen den Vertrag über das Verbot von Nuklearversuchen suchten. Mehrere Satelliten, die zur Überwachung der Vertragskonformität eingesetzt wurden, stellten einen starken Anstieg der Anzahl der Gammastrahlen fest, die sie jede Sekunde zählten. Es wurde festgestellt, dass die Gammastrahlen aus dem Weltraum kamen und nicht von einer in der Erdatmosphäre explodierenden Atombombe. Obwohl Ray Klebesadel und seine Kollegen am Los Alamos National Laboratory in New Mexico diese Datenexplosionen bis ins Jahr 1967 zurückverfolgen konnten, wurde ihre Entdeckung der Welt erst 1973 gemeldet.

Satelliten wie das Compton Gamma-Ray-Observatorium und das Hubble-Weltraumteleskop der NASA und BeppoSAX der ESA lieferten uns wertvolle Daten bei unserer Suche nach der Lösung des Geheimnisses der GRBs. Diese Satelliten hatten jedoch Einschränkungen. Eine Einschränkung bestand darin, dass es nach der Erkennung eines Bursts zu lange dauerte, den Satelliten neu zu positionieren, um dem Burst zu begegnen und Daten zu sammeln. Die Satelliten waren auch hinsichtlich des Bereichs des elektromagnetischen Spektrums eingeschränkt, in dem sie Beobachtungen machen können. Im Jahr 1999 konnten Wissenschaftler ein optisches Gegenstück zu einem Burst beobachten, als der Burst stattfand, was nur durch viel Planung, Kooperation und Glück zustande kam. Am 23. Januar 1999 wurde ein Netzwerk von Wissenschaftlern innerhalb von 4 Sekunden nach Beginn eines Bursts benachrichtigt, dass ein Burst im Gange war. Dank des Compton Gamma-Ray Observatory, BeppoSAX, des Internets und eines speziellen bodengestützten Roboterteleskops konnten Wissenschaftler den Ausbruch von Anfang bis Ende bei mehreren Wellenlängen überwachen. Es hatte die optische Helligkeit von 10 Millionen Milliarden Sonnen, was nur ein Tausendstel seiner Gammastrahlen-Helligkeit war!

Es wurden einige führende Theorien entwickelt, die sich mit den möglichen Ursachen von Gammastrahlenausbrüchen befassten. Eine Erklärung schlug vor, dass sie das Ergebnis kollidierender Neutronensterne sind. Neutronensterne sind die Leichen massereicher Sterne (5 bis 10 mal die Masse unserer Sonne), die das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben. Sie sind extrem dicht. Obwohl ihr Durchmesser nur 20 Kilometer beträgt, ist ihre Masse etwa 1,4-mal so groß wie die der Sonne. Eine zweite Theorie besagt, dass Gammablitze das Ergebnis einer Verschmelzung zwischen einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch oder zwischen zwei Schwarzen Löchern sind. Schwarze Löcher entstehen, wenn supermassive Sterne (mehr als das 20-fache der Masse unserer Sonne) sterben. Eine dritte Theorie besagte, dass Gammastrahlenausbrüche als Ergebnis von Material, das als Ergebnis einer Hypernova mit fast Lichtgeschwindigkeit auf die Erde schießt, auftreten. Eine Hypernova-Explosion kann auftreten, wenn der größte der supermassiven Sterne sein Lebensende erreicht und zu Schwarzen Löchern kollabiert. Hypernova-Explosionen können mindestens 100-mal stärker sein als Supernova-Explosionen.

Swift, ein Satellit mit der Fähigkeit, das Universum in einer Vielzahl von Wellenlängen zu untersuchen, wurde 2004 gestartet. Der Satellit trägt seinen treffenden Namen, weil er, sobald ein Burst erkannt wurde, innerhalb von 50 Sekunden neu positioniert werden kann, um der Gammastrahlenquelle zugewandt zu sein. Durch gleichzeitige Beobachtungen des Bursts im optischen, ultravioletten, Röntgen- und Gammastrahlenbereich des elektromagnetischen Spektrums begannen die Wissenschaftler, die vielen Fragen rund um Gammastrahlenausbrüche zu beantworten. 2008 wurde das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop ins Leben gerufen und lieferte Wissenschaftlern zusätzliche Einblicke in das Geheimnis des Gammastrahlenausbruchs.

Bis vor kurzem konnten Gammablitze wohl als das größte Mysterium der Hochenergieastronomie bezeichnet werden. Heute jedoch deuten Beweise von Satelliten wie Swift und Fermi darauf hin, dass die Energie hinter einem Gammastrahlenausbruch vom Zusammenbruch von Materie in einem Schwarzen Loch stammt. Die Art des Kollapses hängt jedoch von der Art des Gammablitzes ab.

Als Astronomen die Anzahl der Bursts im Vergleich zu ihrer Dauer untersuchten, fanden sie zwei verschiedene Klassen von Bursts: lange und kurze Bursts. Diese beiden Klassen werden wahrscheinlich durch unterschiedliche Prozesse erzeugt, aber das Endergebnis ist in beiden Fällen ein brandneues Schwarzes Loch.


Graph der Zeit gegen die Anzahl der Bursts für die vom BATSE-Instrument am Compton-Gammastrahlen-Teleskop beobachteten Gammastrahlen-Bursts.

Lange Bursts dauern zwischen 2 Sekunden und einigen Hundert Sekunden (mehrere Minuten) mit einer durchschnittlichen Dauer von etwa 30 Sekunden. Sie werden mit dem Tod massereicher Sterne in Supernovae in Verbindung gebracht, obwohl nicht jede Supernova einen Gammastrahlenausbruch erzeugt.

Bursts mit kurzer Dauer sind solche, die weniger als 2 Sekunden dauern, von einigen Millisekunden bis 2 Sekunden dauern und eine durchschnittliche Dauer von etwa 0,3 Sekunden (oder 300 Millisekunden) haben. Diese Ausbrüche scheinen mit der Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem neuen Schwarzen Loch oder einem Neutronenstern mit einem Schwarzen Loch zu einem größeren Schwarzen Loch verbunden zu sein.

Dieses Mysterium der modernen Wissenschaft, das Wissenschaftler in den letzten 50 Jahren geplagt hat, ist nun fast gelöst.


Warum werden in unserer Galaxie keine Gammablitze entdeckt? - Astronomie

Eines der verblüffendsten Geheimnisse der Astronomie ist die unentdeckte Quelle plötzlicher, intensiver Gammastrahlenausbrüche. Das Compton-Observatorium erkennt normalerweise einen Ausbruch pro Tag. Die Bursts unterscheiden sich stark in der Dauer und erscheinen zufällig aus jeder Richtung. Es ist nicht bekannt, dass sie sich wiederholen.

Erstaunlicherweise bleibt, sobald ein Burst verblasst, keine Spur davon zurück. Bisher wurde kein bekanntes Objekt mit einem Gammastrahlenausbruch in Verbindung gebracht.

Eine glückliche Entdeckung

Gammablitze wurden erstmals 1967 zufällig von den Vela-Satelliten aufgezeichnet. Diese Satelliten wurden entwickelt, um nach geheimen Atomtests zu suchen, indem sie nach verräterischen Röntgen- oder Gammastrahlen suchen, die von nuklearen Explosionen emittiert werden. Aber die Gammablitze, die der Satellit entdeckte, kamen aus dem Weltraum.

Astronomen erwarteten, die Orte der Explosionen mit bekannten Sternen oder Galaxien in Verbindung zu bringen. Aber trotz vieler Beobachtungen durch viele verschiedene Teleskope wurde noch nie eine solche Identifizierung gemacht.

BATSE eingeben

Seltsame Sterne oder kosmische Kollisionen?

Es wurden viele Theorien aufgestellt, um die Verteilung und den Ursprung der Ausbrüche zu erklären, aber keine beantwortet alle Fragen, die die Ausbrüche aufwerfen. Einige Wissenschaftler sagen, dass die Quellen der Ausbrüche relativ nahe liegen, und andere sagen, dass es sich um einige der am weitesten entfernten Objekte im bekannten Universum handelt.

Gammastrahlenausbrüche können aus relativ naher Umgebung kommen, vielleicht von einer kugelförmigen "Wolke" von Neutronensternen, die unsere eigene Milchstraße umgeben könnte.

(Mit freundlicher Genehmigung des Nationalen Luft- und Raumfahrtmuseums)

Andere Theorien schlagen vor, dass die Ausbrüche von den äußeren Bereichen des beobachtbaren Universums ausgehen, vielleicht von heftigen Kollisionen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern.

(Mit freundlicher Genehmigung von R. Windhorst (ASU) und NASA)


Warum werden in unserer Galaxie keine Gammablitze entdeckt? - Astronomie

Wissenschaftler der Universität haben neue Beweise dafür gefunden, dass kosmische Gammastrahlenausbrüche aus der Milchstraße – unserer eigenen Galaxie – stammen und nicht vom Rand des Universums, wie viele Astronomen geglaubt hatten. Jean Quashnock, Research Scientist am Enrico Fermi Institute, und Don Lamb, Professor für Astronomie und Astrophysik, gaben ihre Ergebnisse in zwei Artikeln bekannt, die am 15. Dezember in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurden.

Seit 25 Jahren haben Wissenschaftler diese mysteriösen Ausbrüche extrem energiereicher Strahlung beobachtet. Aber weil die Ausbrüche so kurz sind – von weniger als einer Sekunde bis zu einigen Minuten – und weil sie zufällig auftreten, konnte niemand feststellen, was sie verursacht oder wie weit sie entfernt sind. Sie schienen nie zweimal am selben Ort aufzutauchen, sagte Lamb. "Du wusstest nicht, wann sie passieren würden oder wo sie passieren würden, und du hast keine zweite Chance bekommen."

Wissenschaftler haben heiß diskutiert, ob die Ausbrüche kosmologisch sind – vom Rand des Universums – oder galaktisch, aus der Milchstraße. "Jetzt haben wir starke Beweise dafür, dass die meisten Gammastrahlenausbrüche aus unserer Galaxie stammen", sagte Lamb. "Die 25 Jahre alte Frage, woher die Ausbrüche stammen, kann endlich beantwortet werden."

Lamb sagte, die Beweise dafür, dass die Ausbrüche galaktischen Ursprungs sind, seien eine Überraschung, "und sicherlich nicht etwas, von dem ich anfangs überzeugt war".

Quashnock sagte, Gammablitze seien eines der verlockendsten Probleme in der Astronomie. "Sie haben diese unglaublich hohen Energieausbrüche, wenn sie kosmologisch wären, dies wären die größten Ereignisse im Universum gewesen", sagte er. "Und es sind Gammastrahlen und sonst nichts - hier und da und dann wieder weg."

Quashnock sagte, dass er, als er anfing, das Problem zu untersuchen, sich ihm aus einer entschieden kosmologischen Perspektive näherte. Aber als er sah, wie sich die Muster zusammensetzten und erkannte, dass die Ausbrüche galaktisch waren, sagte er: "Es war sehr aufregend. Für einen kleinen Teil des Tages wusste ich etwas, das sonst niemand auf der Welt wusste."

Vor dem Start des NASA-Satelliten Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) im April 1991 glaubten viele Astronomen, dass die Ausbrüche aus dem Inneren der Galaxie stammten. Aber als Astronomen sich die Daten ansahen, die der Satellit gesammelt hatte, sahen sie eine zufällige Verteilung von Ausbrüchen am Himmel. Wissenschaftler hatten erwartet, eine Konzentration von Ausbrüchen in der Ebene der Milchstraße zu sehen, was die galaktische Hypothese bestätigt hätte. Als die Verteilung der Ausbrüche auf Quellen weit über das Reich unserer Galaxie hinausging, verlagerte sich die wissenschaftliche Meinung in Richtung einer kosmologischen Erklärung.

Quashnock und Lamb begannen, sich die CGRO-Daten genauer anzusehen, um sie zu verstehen. Zunächst schien die Verteilung der Bursts völlig zufällig zu sein. Als die Forscher jedoch die statistischen Unsicherheiten berücksichtigten, die der Bestimmung der genauen Positionen der Explosionen am Himmel innewohnen, begannen sie, Ansammlungen von Explosionen zu sehen. Tatsächlich lagen einige so dicht beieinander, dass sie nicht voneinander unterschieden werden konnten. In den meisten Fällen gab es einen hellen Burst mit einem oder mehreren schwächeren Bursts drumherum.

Lamb sagte, dass diese Ausbrüche mit ziemlicher Sicherheit aus denselben Quellen stammen. Ungefähr ein Drittel der 38 hellsten Ausbrüche, die die Forscher untersuchten, schien sich innerhalb der 10 Monate der von ihnen analysierten Beobachtungen zu wiederholen.

"Niemand in 25 Jahren hatte so etwas je gesehen", sagte Lamb. Lamb und Quashnock analysierten Daten, die vom Burst and Transient Source Experiment (BATSE) der CGRO erzeugt wurden, einem Instrument, das Bursts "sehen" kann, die bis zu 10 Mal schwächer sind als die mit jedem früheren Detektor.

Lamb sagte, dass viel größere Energien an der Quelle erzeugt werden müssen, damit die in den Ausbrüchen gesehenen Energien die Erde erreichen. Wenn die Ausbrüche kosmologisch wären, wären die Explosionen so groß gewesen – in der Größenordnung von 1052 Ergs –, dass sie die Masse jedes bekannten kompakten Objekts, wie eines Neutronensterns oder eines Schwarzen Lochs, vollständig verzehrt und somit die Möglichkeit eines wiederholten Energiestoßes aus derselben Quelle. Galaktische Quellen würden Explosionen in der Größenordnung von 1038 Ergs erfordern, was es ziemlich plausibel macht, dass Masse übrig bleiben könnte, um einen oder mehrere zusätzliche Explosionen aus derselben Quelle zu erzeugen. "Die Tatsache, dass sich Quellen wiederholen, macht alle bisher diskutierten kosmologischen Modelle zunichte", sagte Lamb.

Um die Frage weiter zu untersuchen, teilten Quashnock und Lamb die Bursts basierend auf der Helligkeit in drei Kategorien ein. Sie fanden heraus, dass die hellsten Blitze gleichmäßig über den Himmel verteilt waren. Die ganz schwachen Ausbrüche schienen Wiederholungen der hellen zu sein. Aber Ausbrüche mittlerer Helligkeit konzentrierten sich in der Ebene der Galaxie und in Richtung des Zentrums der Galaxie.

Quashnock verglich die Verteilung mit der der Sterne am Nachthimmel. Diejenigen, die der Erde am nächsten sind, erscheinen am hellsten und am gleichmäßigsten am Himmel verteilt. „Du schaust in den Nachthimmel und siehst überall Sterne. Aber in einer dunklen Nacht siehst du auch die Milchstraße, die aus den restlichen Sternen in der Ebene der Galaxie besteht, nur sind sie viel weiter weg much ," er sagte. Als Quashnock das gleiche Verteilungsmuster bei den Gammastrahlenausbrüchen auftauchen sah, sagte er: "Ich habe das kosmologische Modell danach nie wieder in Betracht gezogen."

Die mittelhellen Ausbrüche schienen sich nicht zu wiederholen, sagte Quashnock, einfach weil es helle Ausbrüche sind, die weiter entfernt sind. Das Instrument kann die sehr schwachen Gammastrahlenausbrüche nicht sehen, von denen man erwarten könnte, dass sie die Wiederholungen dieser weit entfernten, aber immer noch galaktischen Ausbrüche sind, sagte er.

Die plausibelste Quelle der Ausbrüche, sagte Lamb, sind galaktische Neutronensterne. Dies sind dichte, hochentwickelte Sterne, in denen das 1,4- bis 2-fache der Sonnenmasse zu einer Kugel von nur etwa 15 oder 20 Kilometern Durchmesser komprimiert ist. Niemand weiß genau, wie die Gammastrahlenausbrüche erzeugt werden könnten, aber eine Theorie besagt, dass sie von Material (wie einem Kometen) stammen könnten, das auf die Oberfläche eines Neutronensterns stürzt. Die Anziehungskraft von Neutronensternen ist so groß, dass bei einer Kollision des Materials mit der Sternoberfläche eine enorme Energiemenge freigesetzt würde.

Quashnock sagte, niemand habe die Burst-Muster zuvor gesehen, weil die Positionen der Bursts so wenig bekannt seien. "Wenn es keine Unklarheiten in den Positionen gegeben hätte, wäre die Wiederholung offensichtlich gewesen", sagte er.

Das Messverfahren der Bursts macht es schwierig, den genauen Ursprung der Bursts zu bestimmen. Die Position eines Bursts wird bestimmt, indem das Verhältnis der Photonen zu jedem der acht Detektoren von BATSE gemessen wird, die an den Ecken des Satelliten angeordnet sind. Um diese Messungen weiter zu komplizieren, werden einige Gammastrahlenausbrüche von der Erdatmosphäre in die Detektoren von BATSE reflektiert. Um diesen Effekt zu korrigieren, verwenden Wissenschaftler des Marshall Space Flight Center, der Kommandozentrale von BATSE, ausgeklügelte Modellierungstechniken. Aber selbst mit diesen Korrekturen können die Orte der hellsten Bursts nur auf etwa vier Grad genau bestimmt werden.

Lamb und Quashnock führten ihre Analysen an 260 Ausbrüchen durch, die von BATSE zwischen April 1991 und März 1992 katalogisiert wurden.

Quashnock sagte, der nächste Schritt werde darin bestehen, genauer zu bestimmen, wo sich die Burst-Quellen befinden, und zu versuchen, Strahlung geringerer Energie zu finden, die von denselben Quellen ausgehen könnte. Anfang 1995 wird das High Energy Transient Experiment (HETE) gestartet. Auf diese Weise können Wissenschaftler beispielsweise Gammablitze mit ultravioletter oder sichtbarer Strahlung korrelieren. "HETE hat gute Chancen, Gammablitze endlich mit dem Rest der Astronomie zu verbinden", sagte Lamb.


23.6 Das Geheimnis der Gammastrahlenausbrüche

Jeder liebt ein gutes Geheimnis, und Astronomen sind da keine Ausnahme. Das Geheimnis, das wir in diesem Abschnitt besprechen werden, wurde erstmals Mitte der 1960er Jahre entdeckt, nicht durch astronomische Forschung, sondern als Ergebnis einer Suche nach den verräterischen Anzeichen von Atomwaffenexplosionen. Das US-Verteidigungsministerium hat eine Reihe von Vela Satelliten, um sicherzustellen, dass kein Land gegen einen Vertrag verstößt, der die Detonation von Atomwaffen im Weltraum verbietet.

Da nukleare Explosionen die energiereichste Form elektromagnetischer Wellen namens gamma Strahlen (siehe Strahlung und Spektren), die Vela Satelliten enthielten Detektoren, um nach dieser Art von Strahlung zu suchen. Die Satelliten entdeckten keine bestätigten Ereignisse durch menschliche Aktivitäten, aber sie entdeckten – zur Überraschung aller – kurze Gammastrahlenausbrüche, die aus zufälligen Himmelsrichtungen kamen. Die Nachricht über die Entdeckung wurde erstmals 1973 veröffentlicht, der Ursprung der Ausbrüche blieb jedoch ein Rätsel. Niemand wusste, was die kurzen Blitze von Gammastrahlen verursachte oder wie weit die Quellen entfernt waren.

Von ein paar Bursts zu Tausenden

Mit dem Start des Compton Gamma-Ray Observatory durch die NASA im Jahr 1991 begannen Astronomen, viele weitere Ausbrüche zu identifizieren und mehr über sie zu erfahren (Abbildung 23.19). Ungefähr einmal pro Tag entdeckte der NASA-Satellit irgendwo am Himmel einen Gammastrahlenblitz, der von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu mehreren hundert Sekunden dauerte. Vor den Compton-Messungen hatten Astronomen erwartet, dass der wahrscheinlichste Ort für die Ausbrüche die Hauptscheibe unserer eigenen (pfannkuchenförmigen) Galaxie ist. Wäre dies jedoch der Fall gewesen, wären in der überfüllten Ebene der Milchstraße mehr Ausbrüche zu sehen gewesen als darüber oder darunter. Stattdessen wurden die Quellen der Ausbrüche verteilt isotrop das heißt, sie könnten überall am Himmel erscheinen, ohne eine Region gegenüber einer anderen zu bevorzugen. Fast nie kam ein zweiter Ausbruch von derselben Stelle.

Link zum Lernen

Sehen Sie sich dieses kurze animierte NASA-Video an, das die Position der ersten 500 von der späteren gefundenen Explosionen zeigt, um ein gutes visuelles Gefühl dafür zu bekommen, inwieweit die Bursts vom ganzen Himmel kommen Schnell Satellit.

Mehrere Jahre lang diskutierten Astronomen aktiv, ob die Burstquellen relativ nahe oder sehr weit entfernt waren – die beiden Möglichkeiten für isotrop verteilte Bursts. Nahegelegene Orte könnten die Kometenwolke sein, die das Sonnensystem umgibt, oder der Halo unserer Galaxie, der groß und kugelförmig ist und uns auch in alle Richtungen umgibt. Treten die Ausbrüche hingegen in sehr großen Entfernungen auf, könnten sie von weit entfernten Galaxien stammen, die ebenfalls gleichmäßig in alle Richtungen verteilt sind.

Sowohl die sehr lokalen als auch die sehr entfernten Hypothesen erforderten, dass etwas Seltsames vor sich ging. Wenn die Ausbrüche aus den kalten äußeren Bereichen unseres eigenen Sonnensystems oder aus dem Halo unserer Galaxie kamen, mussten Astronomen einen neuen physikalischen Prozess vermuten, der unvorhersehbare Blitze hochenergetischer Gammastrahlen in diesen ansonsten ruhigen Regionen des Weltraums. Und wenn die Explosionen von Millionen oder Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien kamen, dann müssen sie extrem stark sein, um auf so große Entfernungen beobachtet werden zu können, ja, sie mussten sogar zu den größten Explosionen im Universum gehören.

Das erste Nachglühen

Das Problem bei dem Versuch, die Quelle der Gammastrahlenausbrüche herauszufinden, bestand darin, dass unsere Instrumente zum Nachweis von Gammastrahlen die genaue Stelle am Himmel nicht lokalisieren konnten, an der der Ausbruch stattfand. Frühe Gammastrahlenteleskope hatten nicht genug Auflösung. Das war frustrierend, weil Astronomen vermuteten, dass, wenn sie könnten die genaue Position eines dieser schnellen Bursts lokalisieren, dann könnten sie ein Gegenstück (wie einen Stern oder eine Galaxie) bei anderen Wellenlängen identifizieren und viel mehr über den Burst erfahren, einschließlich seiner Herkunft. Dies würde jedoch entweder größere Verbesserungen in der Gammastrahlen-Detektortechnologie erfordern, um eine bessere Auflösung bereitzustellen, oder die Erfassung des Bursts bei einer anderen Wellenlänge. Am Ende spielten beide Techniken eine Rolle.

Der Durchbruch kam mit der Einführung des italienischen Holländers BeppoSAX Satellit im Jahr 1996. BeppoSAX umfasste einen neuen Typ von Gammastrahlenteleskop, der die Position einer Quelle viel genauer als frühere Instrumente identifizieren kann, und zwar bis auf wenige Bogenminuten am Himmel. Für sich genommen war es jedoch noch nicht ausgereift genug, um die genaue Quelle des Gammastrahlenausbruchs zu bestimmen. Schließlich könnte eine Kiste mit einigen Bogenminuten an einer Seite noch viele Sterne oder andere Himmelsobjekte enthalten.

Die Winkelauflösung von BeppoSAX war gut genug, um Astronomen zu sagen, wo sie andere, genauere Teleskope ausrichten sollten, in der Hoffnung, langlebigere elektromagnetische Emission von den Bursts bei anderen Wellenlängen zu entdecken. Die Erkennung eines Bursts bei sichtbaren Licht- oder Funkwellenlängen könnte eine auf wenige . genaue Position liefern Sekunden des Bogens und ermöglichen die Positionsbestimmung auf einen einzelnen Stern oder eine Galaxie. BeppoSAX trug ein eigenes Röntgenteleskop an Bord der Raumsonde, um nach einem solchen Gegenstück zu suchen, und Astronomen, die sichtbares Licht und Funkeinrichtungen am Boden nutzten, waren bestrebt, auch diese Wellenlängen zu suchen.

Zwei entscheidende BeppoSAX Burst-Beobachtungen im Jahr 1997 halfen, das Geheimnis der Gammastrahlenausbrüche zu lösen. Der erste Ausbruch kam im Februar aus Richtung des Sternbildes Orion. Innerhalb von 8 Stunden hatten Astronomen, die mit dem Satelliten arbeiteten, die Position des Ausbruchs identifiziert und das Raumfahrzeug neu ausgerichtet, um sich zu fokussieren BeppoSAX's Röntgendetektor an der Quelle. Zu ihrer Aufregung entdeckten sie 8 Stunden nach dem Ereignis eine langsam verblassende Röntgenquelle – die erste erfolgreiche Erkennung eines Nachglühens eines Gammastrahlenausbruchs. Dies lieferte eine noch bessere Position des Bursts (genau auf etwa 40 Bogensekunden), der dann an Astronomen auf der ganzen Welt verteilt wurde, um zu versuchen, ihn bei noch längeren Wellenlängen zu erkennen.

In derselben Nacht fand das 4,2-Meter-William-Herschel-Teleskop auf den Kanarischen Inseln eine verblassende Quelle für sichtbares Licht an der gleichen Position wie das Röntgen-Nachglühen, was bestätigt, dass ein solches Nachglühen auch im sichtbaren Licht nachgewiesen werden konnte. Schließlich verblasste das Nachglühen, aber am Ort des ursprünglichen Gammastrahlenausbruchs blieb eine schwache, verschwommene Quelle genau dort zurück, wo der Lichtpunkt gewesen war – eine ferne Galaxie (Abbildung 23.20). Dies war der erste Beweis dafür, dass Gammablitze tatsächlich sehr energiereiche Objekte aus sehr großer Entfernung waren. Es blieb jedoch auch möglich, dass die Burst-Quelle viel näher bei uns war und sich zufällig auf eine weiter entfernte Galaxie ausrichtete, sodass diese eine Beobachtung allein kein schlüssiger Beweis für den extragalaktischen Ursprung von Gammastrahlenausbrüchen war.

Am 8. Mai desselben Jahres kam ein Ausbruch aus der Richtung des Sternbildes Camelopardalis. In einer koordinierten internationalen Anstrengung BeppoSAX fixierte erneut eine einigermaßen genaue Position, und fast sofort konnte ein Teleskop auf dem Kitt Peak in Arizona das Nachleuchten des sichtbaren Lichts einfangen. Innerhalb von 2 Tagen sammelte das größte Teleskop der Welt (das Keck auf Hawaii) genug Licht, um ein Spektrum des Bursts aufzuzeichnen. Das Nachleuchtspektrum des Gammastrahlenausbruchs vom Mai zeigte Absorptionsmerkmale eines verschwommenen Objekts, das 4 Milliarden Lichtjahre von der Sonne entfernt war, was bedeutet, dass der Ort des Ausbruchs mindestens so weit entfernt sein musste – und möglicherweise sogar noch weiter. (Wie Astronomen die Entfernung eines solchen Objekts aus der Dopplerverschiebung im Spektrum ermitteln können, werden wir in Galaxies diskutieren.) Was dieses Spektrum zeigte, war ein klarer Beweis dafür, dass der Gammastrahlenausbruch in einer fernen Galaxie stattgefunden hatte.

Netzwerken, um mehr Bursts zu fangen

Nachdem erste Beobachtungen zeigten, dass die genauen Orte und Nachleuchten von Gammastrahlenausbrüchen gefunden werden konnten, richteten Astronomen ein System ein, um Ausbrüche regelmäßig zu erfassen und zu lokalisieren. Um jedoch so schnell wie nötig reagieren zu können, um brauchbare Ergebnisse zu erhalten, erkannten Astronomen, dass sie sich auf automatisierte Systeme verlassen mussten und nicht auf menschliche Beobachter, die zufällig zur richtigen Zeit am richtigen Ort waren.

Wenn nun ein Hochenergieteleskop im Orbit einen Ausbruch entdeckt, wird seine ungefähre Position sofort an ein Gamma-Ray-Koordinatennetzwerk mit Sitz im Goddard Space Flight Center der NASA und alarmiert Beobachter am Boden innerhalb weniger Sekunden, um nach dem sichtbaren Nachleuchten zu suchen.

Der erste große Erfolg mit diesem System wurde von einem Team von Astronomen der University of Michigan, des Lawrence Livermore National Laboratory und der Los Alamos National Laboratories erzielt, das ein automatisiertes Gerät namens Experiment zur robotergestützten optischen Transientensuche ( ROTSE ), die 1999 ein sehr helles Gegenstück im sichtbaren Licht entdeckte. In der Spitze war der Ausbruch fast so hell wie Neptun – trotz einer Entfernung (später durch Spektren von größeren Teleskopen gemessen) von 9 Milliarden Lichtjahren.

In jüngerer Zeit konnten Astronomen dies noch einen Schritt weiter gehen und mit Weitwinkel-Teleskopen auf große Teile des Himmels starren, in der Hoffnung, dass ein Gammastrahlenausbruch am richtigen Ort und zur richtigen Zeit auftritt, und von der Kamera des Teleskops aufgezeichnet werden. Diese Weitfeldteleskope reagieren nicht auf schwache Quellen, aber ROTSE zeigte, dass das Nachleuchten von Gammastrahlenausbrüchen manchmal sehr hell sein kann.

Die Hoffnungen der Astronomen wurden im März 2008 bestätigt, als ein extrem heller Gammablitz auftrat und sein Licht von zwei Weitfeldkamerasystemen in Chile eingefangen wurde: dem polnischen „Pi of the Sky“ und dem russisch-italienischen TORTORA [Telescopio Ottimizzato per la Ricerca dei Transienti Ottici Rapidi (italienisch für Telescope Optimized for the Research of Rapid Optical Transienti)] (siehe Abbildung 23.21). Nach den Daten dieser Teleskope war das Licht des Gammablitzes für einen Zeitraum von etwa 30 Sekunden hell genug, dass es mit bloßem Auge hätte gesehen werden können, wenn eine Person rechts an der richtigen Stelle geschaut hätte Zeit. Zu unserem Erstaunen trugen spätere Beobachtungen mit größeren Teleskopen bei, dass der Ausbruch in einer Entfernung von 8 Milliarden Lichtjahren von der Erde stattfand!

Beamen oder nicht Beamen

Die enormen Entfernungen zu diesen Ereignissen bedeuteten, dass sie erstaunlich energisch gewesen sein mussten, um so hell zu erscheinen, wie sie über eine so enorme Entfernung waren. Tatsächlich erforderten sie so viel Energie, dass dies für Gammastrahlen-Ausbruchmodelle ein Problem darstellte: Wenn die Quelle Energie in alle Richtungen abstrahlte, dann würde die Energie allein in Gammastrahlen während eines hellen Ausbruchs (wie den Ereignissen von 1999 oder 2008) freigesetzt ) wäre äquivalent zu der Energie gewesen, die erzeugt würde, wenn die gesamte Masse eines sonnenähnlichen Sterns plötzlich in reine Strahlung umgewandelt würde.

Für eine Quelle, so schnell (in einem Stoß) so viel Energie zu produzieren, ist eine echte Herausforderung. Auch wenn der Stern, der den Gammablitz erzeugte, viel massereicher war als die Sonne (was wahrscheinlich der Fall ist), gibt es kein bekanntes Mittel, um so viel Masse innerhalb von Sekunden in Strahlung umzuwandeln. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die erforderliche Leistung des „Mechanismus“ zu reduzieren, der Gammablitze erzeugt. Bisher ging unsere Diskussion davon aus, dass die Quelle der Gammastrahlen wie eine Glühbirne in alle Richtungen die gleiche Energiemenge abgibt.

Aber wie wir in Pulsars and the Discovery of Neutron Stars diskutieren, sind nicht alle Strahlungsquellen im Universum so. Einige erzeugen dünne Strahlungsstrahlen, die nur in eine oder zwei Richtungen konzentriert werden. Ein Laserpointer und ein Leuchtturm auf dem Ozean sind Beispiele für solche Strahlenquellen auf der Erde (Abbildung 23.22). If, when a burst occurs, the gamma rays come out in only one or two narrow beams, then our estimates of the luminosity of the source can be reduced, and the bursts may be easier to explain. In that case, however, the beam has to point toward Earth for us to be able to see the burst. This, in turn, would imply that for every burst we see from Earth, there are probably many others that we never detect because their beams point in other directions.

Long-Duration Gamma-Ray Bursts: Exploding Stars

After identifying and following large numbers of gamma-ray bursts, astronomers began to piece together clues about what kind of event is thought to be responsible for producing the gamma-ray burst. Or, rather, what kind of events, because there are at least two distinct types of gamma-ray burst s. The two—like the different types of supernovae—are produced in completely different ways.

Observationally, the crucial distinction is how long the burst lasts. Astronomers now divide gamma-ray bursts into two categories: short-duration ones (defined as lasting less than 2 seconds, but typically a fraction of a second) and long-duration ones (defined as lasting more than 2 seconds, but typically about a minute).

All of the examples we have discussed so far concern the long-duration gamma-ray burst s. These constitute most of the gamma-ray bursts that our satellites detect, and they are also brighter and easier to pinpoint. Many hundreds of long-duration gamma-ray bursts, and the properties of the galaxies in which they occurred, have now been studied in detail. Long-duration gamma-ray bursts are universally observed to come from distant galaxies that are still actively making stars. They are usually found to be located in regions of the galaxy with strong star-formation activity (such as spiral arms). Recall that the more massive a star is, the less time it spends in each stage of its life. This suggests that the bursts come from a young and short-lived, and therefore massive type of star.

Furthermore, in several cases when a burst has occurred in a galaxy relatively close to Earth (within a few billion light-years), it has been possible to search for a supernova at the same position—and in nearly all of these cases, astronomers have found evidence of a supernova of type Ic going off. A type Ic is a particular type of supernova, which we did not discuss in the earlier parts of this chapter these are produced by a massive star that has been stripped of its outer hydrogen layer. However, only a tiny fraction of type Ic supernova e produce gamma-ray bursts.

Why would a massive star with its outer layers missing sometimes produce a gamma-ray burst at the same time that it explodes as a supernova? The explanation astronomers have in mind for the extra energy is the collapse of the star’s core to form a spinning, magnetic black hole or neutron star . Because the star corpse is both magnetic and spinning rapidly, its sudden collapse is complex and can produce swirling jets of particles and powerful beams of radiation—just like in a quasar or active galactic nucleus (objects you will learn about Active Galaxies, Quasars, and Supermassive Black Holes), but on a much faster timescale. A small amount of the infalling mass is ejected in a narrow beam, moving at speeds close to that of light. Collisions among the particles in the beam can produce intense bursts of energy that we see as a gamma-ray burst.

Within a few minutes, the expanding blast from the fireball plows into the interstellar matter in the dying star’s neighborhood. This matter might have been ejected from the star itself at earlier stages in its evolution. Alternatively, it could be the gas out of which the massive star and its neighbors formed.

As the high-speed particles from the blast are slowed, they transfer their energy to the surrounding matter in the form of a shock wave. That shocked material emits radiation at longer wavelengths. This accounts for the afterglow of X-rays, visible light, and radio waves—the glow comes at longer and longer wavelengths as the blast continues to lose energy.

Short-Duration Gamma-Ray Bursts: Colliding Stellar Corpses

What about the shorter gamma-ray bursts? The gamma-ray emission from these events lasts less than 2 seconds, and in some cases may last only milliseconds—an amazingly short time. Such a timescale is difficult to achieve if they are produced in the same way as long-duration gamma-ray bursts, since the collapse of the stellar interior onto the black hole should take at least a few seconds.

Astronomers looked fruitlessly for afterglows from short-duration gamma-ray burst s found by BeppoSAX and other satellites. Evidently, the afterglows fade away too quickly. Fast-responding visible-light telescopes like ROTSE were not helpful either: no matter how fast these telescopes responded, the bursts were not bright enough at visible wavelengths to be detected by these small telescopes.

Once again, it took a new satellite to clear up the mystery. In this case, it was the Swift Gamma-Ray Burst Satellite, launched in 2004 by a collaboration between NASA and the Italian and UK space agencies (Figure 23.23). The design of Swift is similar to that of BeppoSAX. Jedoch, Swift is much more agile and flexible: after a gamma-ray burst occurs, the X-ray and UV telescopes can be repointed automatically within a few minutes (rather than a few hours). Thus, astronomers can observe the afterglow much earlier, when it is expected to be much brighter. Furthermore, the X-ray telescope is far more sensitive and can provide positions that are 30 times more precise than those provided by BeppoSAX, allowing bursts to be identified even without visible-light or radio observations.

On May 9, 2005, Swift detected a flash of gamma rays lasting 0.13 seconds in duration, originating from the constellation Coma Berenices. Remarkably, the galaxy at the X-ray position looked completely different from any galaxy in which a long-duration burst had been seen to occur. The afterglow originated from the halo of a giant elliptical galaxy 2.7 billion light-years away, with no signs of any young, massive stars in its spectrum. Furthermore, no supernova was ever detected after the burst, despite extensive searching.

What could produce a burst less than a second long, originating from a region with no star formation? The leading model involves the merger of two compact stellar corpses: two neutron stars, or perhaps a neutron star and a black hole . Since many stars come in binary or multiple systems, it’s possible to have systems where two such star corpses orbit one another. According to general relativity (which will be discussed in Black Holes and Curved Spacetime), the orbits of a binary star system composed of such objects should slowly decay with time, eventually (after millions or billions of years) causing the two objects to slam together in a violent but brief explosion. Because the decay of the binary orbit is so slow, we would expect more of these mergers to occur in old galaxies in which star formation has long since stopped.

Link to Learning

To learn more about the merger of two neutron stars and how they can produce a burst that lasts less than a second, check out this computer simulation by NASA.

While it was impossible to be sure of this model based on only a single event (it is possible this burst actually came from a background galaxy and lined up with the giant elliptical only by chance), several dozen more short-duration gamma-ray bursts have since been located by Swift, many of which also originate from galaxies with very low star-formation rates. This has given astronomers greater confidence that this model is the correct one. Still, to be fully convinced, astronomers are searching for a “smoking gun” signature for the merger of two ultra-dense stellar remnants.

Astronomers identified two observations that would provide more direct evidence. Theoretical calculations indicate that when two neutron stars collide there will be a very special kind of explosion neutrons stripped from the neutron stars during the violent final phase of the merger will fuse together into heavy elements and then release heat due to radioactivity, producing a short-lived but red supernova sometimes called a kilonova. (The term is used because it is about a thousand times brighter than an ordinary nova, but not quite as “super” as a traditional supernova.) Hubble observations of one short-duration gamma-ray burst in 2013 showed suggestive evidence of such a signature, but needed to be confirmed by future observations.

The second “smoking gun” is the detection of gravitational waves. As will be discussed in Black Holes and Curved Spacetime, gravitational waves are ripples in the fabric of spacetime that general relativity predicts should be produced by the acceleration of extremely massive and dense objects—such as two neutron stars or black holes spiraling toward each other and colliding. The construction of instruments to detect gravitational waves is very challenging technically, and gravitational wave astronomy became feasible only in 2015. The first few detected gravitational wave events were produced by mergers of black holes. In 2017, however, gravitational waves were observed from a source that was coincident in time and space with a gamma-ray burst. The source consisted of two objects with the masses of neutron stars. A red supernova was also observed at this location, and the ejected material was rich in heavy elements. This observation not only confirms the theory of the origin of short gamma-ray bursts, but also is a spectacular demonstration of the validity of Einstein’s theory of general relativity.

Probing the Universe with Gamma-Ray Bursts

The story of how astronomers came to explain the origin of the different kinds of bursts is a good example of how the scientific process sometimes resembles good detective work. While the mystery of short-duration gamma-ray bursts is still being unraveled, the focus of studies for long-duration gamma-ray bursts has begun to change from understanding the origin of the bursts themselves (which is now fairly well-established) to using them as tools to understand the broader universe.

The reason that long-duration gamma-ray bursts are useful has to do with their extreme luminosities, if only for a short time. In fact, long-duration gamma-ray bursts are so bright that they could easily be seen at distances that correspond to a few hundred million years after the expansion of the universe began, which is when theorists think that the first generation of stars formed. Some theories predict that the first stars are likely to be massive and complete their evolution in only a million years or so. If this turns out to be the case, then gamma-ray bursts (which signal the death of some of these stars) may provide us with the best way of probing the universe when stars and galaxies first began to form.

So far, the most distant gamma-ray burst found (on April 29, 2009) was in a galaxy with a redshift that corresponds to a remarkable 13.2 billion light years—meaning it happened only 600 million years after the Big Bang itself. This is comparable to the earliest and most distant galaxies found by the Hubble Space Telescope. It is not quite old enough to expect that it formed from the first generation of stars, but its appearance at this distance still gives us useful information about the production of stars in the early universe. Astronomers continue to scan the skies, looking for even more distant events signaling the deaths of stars from even further back in time.


Astronomers Detect Record-Breaking Gamma Ray Bursts From Colossal Explosion in Space

On the night of January 14, 2019, astronomer Razmik Mirzoyan got a call at his home in Germany. The observers on shift at the Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) in the Canary Islands were on the other line. Alerted by two space telescopes—the Neil Gehrels Swift Observatory and Fermi Gamma-ray Space Telescope—the two MAGIC telescopes were pointed in the direction of emissions from an immensely powerful cosmic outburst that were arriving at Earth. Within the first 20 minutes of observation, the telescopes detected a strong and increasing signal that seemed to be from a gamma ray burst, the most energetic type of explosion known to occur in the universe.

Mirzoyan told the observers to keep measuring.

That night Mirzoyan, who is a researcher at the Max Planck Institute for Physics in Munich, dashed off a short note on the Astronomer's Telegram, hoping other telescope operators would turn their machines toward the signal. He described how the MAGIC telescopes saw the highest energy emissions ever measured from a gamma ray burst (GRB), with photon energies of up to 1,000 billion electronvolts, or 1 teraelectronvolt (TeV). These were also the first observations of a gamma ray burst (GRB) by MAGIC or any other ground-based telescope.

Without any sleep, Mirzoyan headed to Arizona the next day to celebrate the inauguration of a next-generation gamma ray telescope at Whipple Observatory. By the time he arrived, word had spread about the detection. Everyone in the room was eager to shake Mirzoyan's hand and congratulate the MAGIC team, says Jamie Holder, an astronomer from the University of Delaware who was there. "Almost every conversation I had that week centered around the discovery," he says. "What have they seen? What does it mean? Can we see it, too?"

GRB 190114C, located about 4.5 billion light-years away in the constellation Fornax. (NASA / ESA / V. Acciari et al. 2019)

A few months later, another group of scientists went through their archived observations and found that they, too, detected GRB emissions from the ground. In July 2018, the High Energy Stereoscopic System (HESS) array of telescopes in Namibia detected the faint afterglow emission of another GRB 10 hours after the initial explosion. Even after nearly half a day, the afterglow still had photons with energies of 100 to 440 gigaelectronvolts. Both teams published their results in separate papers the journal Natur today.

"These ground-based telescopes have been operating for more than a decade, and GRBs have been one of their main targets, and this is the first time they actually detected them," says astrophysicist Bing Zhang of University of Nevada, Las Vegas, who was not involved in the research but wrote an editorial about the new papers for Natur.

Gamma rays are the highest-energy form of radiation, with wavelengths that can be smaller than the nucleus of an atom. (Radio waves, for comparison, have wavelengths ranging between about a millimeter to hundreds of kilometers.) Gamma ray bursts are phenomena that occur in distant galaxies, and astronomers believe the violent outbursts can happen when a massive star dies and collapses in on itself, resulting in a supernova. In one second, a GRB can release as much energy as the sun will produce in its lifetime. The light arrives at Earth as a prompt "flash" of gamma rays. This flash is associated with the highly energetic jets of plasma that form as the core of a dying star becomes a black hole or a neutron star, Holder says, and the afterglow that follows comes from the shock waves as this jet plows into in the surrounding region.

Compared to space-based telescopes, which have been observing GRBs for years, ground-based telescopes have much larger surfaces for detection, but they have the disadvantage of being beneath Earth's atmosphere, which absorbs gamma radiation. Until now, detecting a GRB from Earth's surface has proven elusive.

"Now we know that it is possible to observe GRBs from the ground, to high energies, long after the burst occurred," says Holder. "This will allow us to tune our search strategies to discover more bursts, and to study them as a population."

One of the telescopes at the MAGIC observatory that recently detected emissions from a powerful gamma ray burst. (Pachango / Wikicommons via CC BY-SA 3.0)

Both of the GRBs that were observed are believed to be the result of supernovas. The burst seen by MAGIC, called GRB 190114C, came from about 4.5 billion light-years away, and the one seen by HESS, named GRB 180720B, came from 6 billion light-years away.

The observations show that GRBs produce even more energetic emissions than previously known. Konstancja Satalecka, a scientist at the German Electron Synchrotron (DESY) who was part of the MAGIC collaboration, said in a statement that researchers were missing about half of the energy budget of GRBs until now. "Our measurements show that the energy released in very-high-energy gamma-rays is comparable to the amount radiated at all lower energies taken together," she said. "That is remarkable!”

Now scientists also know that GRBs are able to accelerate particles within the explosion ejecta. After ruling out other theoretical explanations, both teams of scientists have suggested that the very-high-energy gamma ray photons had been scattered by electrons while traveling through space, boosting their energy in a process known as inverse Compton scattering.

"These results are very exciting," Dan Hooper, head of the Theoretical Astrophysics Group at the Fermi National Accelerator Laboratory, says in an email. "Astrophysicists have long expected gamma-ray bursts to emit photons in this energy range (the teraelectronvolt range), but until now this had never been observed." Hooper was also surprised by how high-energy emissions were able to persist in the long afterglow of GRB 180720B. "Considering that the initial burst is measured in tens of seconds, a 10-hour afterglow at such high energies is a remarkable feature."

The findings from MAGIC and HESS have scientists even more excited for the next generation of gamma ray telescopes. The new telescope that Mirzoyan was celebrating in Arizona is a prototype for the Cherenkov Telescope Array (CTA) Observatory, which will consist of 118 telescopes being built in Chile and the Canary Islands. Once in operation, these telescopes will be able to detect gamma rays in the range of 20 GeV to 300 TeV, with about ten times better sensitivity than other current observatories.

Edna Ruiz-Velasco, a researcher at the Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Germany, who is part of the HESS team, says these new observatories will be able to detect GRBs several days after the initial burst, covering longer timescales of the total emissions. Better detections might also help scientists investigate the possible connection between gamma ray bursts and gravitational waves, or the ripples in spacetime that scientists have only recently observed directly.

After decades of waiting, Mirzoyan says he thinks that observations of GRBs from the ground will become much more routine. Already, the HESS team posted another notice on the Astronomer's Telegram that they spotted another burst in August. With so much more data pouring in, astronomers may soon unravel the mysteries of the most immense explosions in the universe.


Cosmic Jets

Among the oldest and brightest entities in the universe, quasars eject jets of very bright light that can be seen from lightyears away. It was initially believed that different events were being seen when quasars were observed, but it was later established that our line of sight affected the appearance of the quasar, for example a blazar is a quasar with jets that are pointing towards Earth. Image credit: ESO/M. Kornmesser Cosmic jets are seen in all kinds of objects (including GRBs , active galactic nuclei, quasars, and radio galaxies), but how they're formed is not yet understood. The phenomenon is defined as streams of matter being emitted along the axis of rotation of a compact object, and are a staple component of most artists' impressions of such objects.

Although researchers are not clear as to exactly what causes these jets, their focus tends to be on the central body – such as a black hole – or the surrounding accretion disc.
Learn more about Cosmic Jets.

Fast radio bursts that lasted for 4 milliseconds have been detected from 5.5-10.4 billion light-years away. Weirdly, no associated gamma, X-ray, optical or gravitational wave signatures were detected with the burst, and there were no repeat events. Scientists think this points to a cataclysmic source, which could be soft gamma-ray repeaters or core-collapse supernova (ccSN) orbiting neutron stars.

High-energy neutrinos may originate from high energy cosmic events and, as such, could provide information on objects such as black holes and gamma-ray bursts. They interact only weakly with matter, and so pass straight through bodies such as the earth and are unperturbed by gravity. The IceCube Neutrino Observatory recently claimed to have detected such neutrinos, although their results ares unconfirmed and, if so, what they can tell us.


Why are there no gamma-ray bursts detected in our galaxy? - Astronomie

A number of satellites have been built to observe GRBs. The Compton Gamma Ray Observatory determined that GRBs were from outside our Galaxy. (There is a class of gamma-ray objects within our galaxy, but not with the extreme power of GRBs). Some have speculated that GRBs are possibly at the edge of the early Universe and the death throes of extremely massive stars, which only lasted about 1 million years. These stars appear to eject Gamma Rays after a hypernova event , an extreme supernova which produces gamma radiation. GRBs also appear to come from within stellar nurseries.

Public Domain | Image courtesy of NASA, ESA, N. Tanvir (University of Leicester), A. Fruchter (STScI), and A. Levan (University of Warwick).


We may have seen a huge explosion in the oldest galaxy in the universe

An explosion of high-energy radiation may have been spotted coming from a galaxy in the distant universe. If confirmed, it would be the oldest known gamma-ray burst, occurring about 400 million years after the big bang.

Linhua Jiang at Peking University in Beijing, China, and his colleagues were using the Keck Observatory in Hawaii to study the faintest and oldest known galaxy in the universe, GN-z11, when they saw the galaxy appear to grow hundreds of times brighter for just under 3 minutes.

The researchers think this could have been a gamma-ray burst, a type of extremely luminous event that has been seen in other galaxies and is thought to occur when certain giant stars explode in a supernova.

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We see GN-z11 as it looked 13.4 billion years ago, meaning it was one of the first galaxies to form after the big bang. However, it is actually located about 32 billion light years from Earth owing to the universe’s expansion. This expansion also stretched the duration of the event Jiang and his colleagues saw, which would probably have lasted for only around 20 seconds.

Previously, the most distant known gamma-ray burst occurred about 100 million years later, roughly 500 million years after the big bang, which would make GN-z11’s event the oldest yet spotted, suggesting galaxies in the early universe were more active than thought.

Read more: We’ve found the oldest ever galaxy that looks like our own

This is because gamma-ray bursts should be extremely rare, says Jiang. “The probability to detect a gamma-ray burst [in a particular galaxy] is near to zero,” he says. “If you observed a galaxy for a million years, you’d probably find [only] a few gamma-ray bursts. That’s why it’s so surprising.”

What isn’t clear is whether a rogue signal from a satellite or something in our solar system like an asteroid could have been the cause of the event. Although it is unlikely, Jiang says there will be no way to ever know for sure, given the event has passed.

However, the brightness and duration of the event point to a gamma-ray burst and it is possible more could be found from this era. “Either we were so lucky or the gamma-ray burst rate is higher than what we expected,” says Jiang.

Journal reference: Naturastronomie, DOI: 10.1038/s41550-020-01275-y

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Sky survey reveals first 'orphan' gamma ray burst

Astronomers comparing data from an ongoing major survey of the sky using the National Science Foundation's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) to data from earlier surveys likely have made the first discovery of the afterglow of a powerful gamma ray burst that produced no gamma rays detectable at Earth. The unprecedented discovery of this "orphan" gamma ray burst (GRB) offers key clues to understanding the aftermath of these highly energetic events.

"GRBs emit their gamma rays in narrowly focused beams. In this case, we believe the beams were pointed away from Earth, so gamma ray telescopes did not see this event. What we found is the radio emission from the explosion's aftermath, acting over time much as we expect for a GRB," said Casey Law, of the University of California, Berkeley.

While searching through data from the first epoch of observing for the VLA Sky Survey (VLASS) in late 2017, the astronomers noted that an object that appeared in images from an earlier VLA survey in 1994 did not appear in the VLASS images. They then searched for additional data from the VLA and other radio telescopes. They found that observations of the object's location in the sky dating back as far as 1975 had not detected it until it first appeared in a VLA image from 1993.

The object then appeared in several images made with the VLA and the Westerbork telescope in the Netherlands from 1993 through 2015. The object, dubbed FIRST J1419+3940, is in the outskirts of a galaxy more than 280 million light-years from Earth.

"This is a small galaxy with active star formation, similar to others in which we have seen the type of GRBs that result when a very massive star explodes," Law said.

The strength of the radio emission from J1419+3940 and the fact that it slowly evolved over time support the idea that it is the afterglow of such a GRB, the scientists said. They suggested that the explosion and burst of gamma rays should have been seen sometime in 1992 or 1993.

However, after searching databases from gamma ray observatories, "We could find no convincing candidate for a detected GRB from this galaxy," Law said.

While there are other possible explanations for the object's behavior, the scientists said that a GRB is the most likely.

"This is exciting, and not just because it probably is the first 'orphan' GRB to be discovered. It also is the oldest well-localized GRB, and the long time period during which it has been observed means it can give us valuable new information about GRB afterglows," Law said.

"Until now, we've never seen how the afterglows of GRBs behave at such late times," noted Brian Metzger of Columbia University, co-author of the study. "If a neutron star is responsible for powering the GRB and is still active, this might give us an unprecedented opportunity to view this activity as the expanding ejecta from the supernova explosion finally becomes transparent."

"I'm delighted to see this discovery, which I expect will be the first of many to come from the unique investment the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) and the National Science Foundation are making in VLASS," said NRAO Director Tony Beasley.

VLASS is the largest observing project in the history of the VLA. Begun in 2017, the survey will use 5,500 hours of observing time over seven years. The survey will make three complete scans of the sky visible from the VLA, roughly 80 percent of the sky. Initial images from the first round of observations now are available to astronomers.

VLASS follows two earlier sky surveys done with the VLA. The NRAO VLA Sky Survey (NVSS), like VLASS, was an all-sky survey done from 1993 to 1996, and the FIRST (Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters) survey studied a smaller portion of the sky in more detail from 1993 to 2002. The astronomers discovered FIRST J1419+3940 by comparing a 1994 image from the FIRST survey to the VLASS 2017 data.

From 2001 to 2012, the VLA underwent a major upgrade, greatly increasing its sensitivity, or ability to image faint objects. The upgrade made possible a new, improved survey offering a rich scientific payoff. The earlier surveys have been cited more than 4,500 times in scientific papers, and scientists expect VLASS to be a valuable resource for research in the coming years.

Law and his colleagues are publishing their findings in the Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.