Überraschende Phänomene beobachtet von NASA's NuSTAR in der hellsten je gemessenen kosmischen Explosion

Astronomen glauben, dass GRB 221009A die Geburt eines neuen schwarzen Lochs darstellt, das im Herzen eines kollabierenden Sterns entstanden ist. In dieser Darstellung treibt das schwarze Loch mächtige Jets von Partikeln an, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Jets durchdringen den Stern und emittieren Röntgen- und Gammastrahlen, während sie in den Weltraum strömen. Kredit: NASA/Swift/Cruz deWilde

Beobachtungen des NuSTAR-Röntgenteleskops der NASA geben Astronomen neue Hinweise auf den hellsten und energiereichsten Gammastrahlenausbruch, der je wahrgenommen wurde.

Wissenschaftler entdeckten im Oktober 2022 den hellsten Gammastrahlenausbruch, genannt GRB 221009A oder BOAT. Im Gegensatz zu früheren Gammastrahlenausbrüchen hatte GRB 221009A eine einzigartige Jet-Struktur mit einem schmalen Kern, breiteren Rändern und einer Energievarianz je nach Abstand zum Kern. Die beispiellosen Phänomene, die bei dem Ausbruch beobachtet wurden, wurden von der NuSTAR-Beobachtungsstation der NASA und mehreren Röntgenteleskopen dokumentiert.

Als die Wissenschaftler den Gammastrahlenausbruch, der am 9. Oktober 2022 als GRB 221009A bekannt wurde, entdeckten, nannten sie ihn den hellsten aller Zeiten oder BOAT. Die meisten Gammastrahlenausbrüche treten auf, wenn der Kern eines Sterns, der massiver als unsere Sonne ist, kollabiert und zu einem schwarzen Loch wird. Diese Ereignisse geben regelmäßig in wenigen Minuten so viel Energie ab, wie unsere Sonne in ihrer gesamten Lebenszeit abgeben wird. Folgeuntersuchungen zeigten, dass GRB 221009A 70-mal heller und weit energiereicher war als der vorherige Rekordhalter. Wissenschaftler verstehen bisher nicht, warum, aber sie haben einen verlockenden Hinweis von der NuSTAR-Beobachtungsstation der NASA erhalten.

Eine Strahlung von Partikeln durchdringt einen Stern, wenn er während eines typischen Gammastrahlenausbruchs zu einem schwarzen Loch zusammenbricht, wie in dieser Illustration dargestellt. Der Jet, der durch den Gammastrahlenausbruch GRB 221009A erzeugt wurde, hatte einige einzigartige Merkmale. Kredit: NASA’s Goddard Space Flight Center

In einer Studie, die am 7. Juni im Fachjournal Science Advances veröffentlicht wurde, zeigten Wissenschaftler anhand von NuSTAR-Beobachtungen des Ereignisses, wie der kollabierende Stern einen Strahl aus Material ausstieß, der eine zuvor bei Gammastrahlenausbruchstrahlen nicht beobachtete Form hatte sowie andere einzigartige Merkmale aufwies. Es ist möglich, dass die Quelle dieser Unterschiede der Vorläuferstern ist, dessen physikalische Eigenschaften die Eigenschaften des Ausbruchs beeinflussen könnten. Es ist auch möglich, dass ein vollständig anderer Mechanismus die hellsten Jets ins All befördert.

Die energiereichsten Explosionen im Universum, ein Gammastrahlenausbruch, können Milliarden von Lichtjahren entfernt gesichtet werden. GRB 221009A war so leuchtstark, dass er bei seiner Entdeckung am 9. Oktober 2022 die meisten Gammastrahleninstrumente im Weltraum praktisch geblendet hat. Kredit: NASA’s Goddard Space Flight Center

„Dieses Ereignis war so viel heller und energiereicher als jeder Gammastrahlenausbruch, den wir zuvor gesehen haben, es ist nicht einmal annähernd“, sagte Brendan O’Connor, Hauptautor der neuen Studie und Astronom an der George Washington University in Washington. „Dann, als wir uns die NuSTAR-Daten ansahen, erkannten wir, dass es auch diese einzigartige Jet-Struktur hat. Und das war wirklich aufregend, weil wir keine Möglichkeit haben, den Stern zu studieren, der dieses Ereignis produziert hat; er ist jetzt weg. Aber wir haben jetzt einige Daten, die uns Hinweise geben, wie er explodiert ist.“

Gammastrahlen sind die energiereichste Form von Licht im Universum, aber für das menschliche Auge unsichtbar. Alle bekannten Gammastrahlenausbrüche haben sich in Galaxien außerhalb unserer Milchstraße ereignet, sind aber hell genug, um Milliarden von Jahren entfernt entdeckt zu werden. Einige entstehen und dauern weniger als zwei Sekunden, während sogenannte lange Gammastrahlenausbrüche typischerweise Gammastrahlen für eine Minute oder länger ausstrahlen. Diese Objekte können andere Wellenlängen über Wochen hinweg abstrahlen.

Das Weltraumteleskop Hubble hat den Infrarotnachglühen (umkreist) des Gammastrahlenausbruchs GRB 221009A und seiner Gastgalaxie eingefangen. Diese Zusammensetzung umfasst Bilder, die am 8. November und 4. Dezember 2022, etwa einen und zwei Monate nach dem Ausbruch, aufgenommen wurden. Der Nachglühen kann mehrere Jahre lang nachweisbar bleiben. Kredit: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud-Universität); Bildverarbeitung: Gladyses Kober

GRB 221009A, ein langer Gammastrahlenausbruch, war so hell, dass er praktisch die meisten Gammastrahleninstrumente im Weltraum blendete. US-Wissenschaftler konnten dieses Ereignis anhand von Daten des Fermi Gamma-ray-Weltraumteleskops der NASA rekonstruieren, um seine tatsächliche Helligkeit zu bestimmen. (Die BOAT wurde auch von den Weltraumteleskopen Hubble und James Webb der NASA, den Wind- und Voyager-1-Raumsonden der Agentur sowie dem Solar Orbiter der ESA oder European Space Agency erfasst.)

Similar to other gamma-ray bursts, GRB 221009A had a jet that erupted from the collapsing star like it was shot into space from a fire hose, with gamma rays radiating from the hot gas and particles at the jet’s core. But GRB 221009A’s jet stood out in a few ways. In just about every previously observed gamma-ray burst, the jet remained remarkably compact and there was little to no stray light or material outside the narrow beam. (In fact, gamma-ray bursts are so compact, the gamma rays can only be observed when their jets are pointed almost directly at Earth.)

The Fermi Gamma-ray Space Telescope observes the cosmos using the highest-energy form of light, providing an important window into the most extreme phenomena of the universe, from gamma-ray bursts and black-hole jets to pulsars, supernova remnants, and the origin of cosmic rays. Credit: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

By contrast, in GRB 221009A the jet had a narrow core with wider, sloping sides. Some of the most energetic gamma-ray jets have shown similar properties, but the jet from the BOAT was unique in one important way: The energy of the material in GRB 221009A also varied, meaning that instead of all the material in the jet having the same energy – like a single bullet shot from a gun – the energy of the of the material changed with distance from the jet’s core. This has never been observed in a long gamma-ray burst jet before.

“The only way to produce a different jet structure and vary the energy is to vary some property of the star that exploded, like its size, mass, density, or magnetic field,” said Eleonora Troja, a professor of physics at the University of Rome, who led NuSTAR the observations of the event. “That’s because the jet has to basically force its way out of the star. So, for example, the amount of resistance it meets would potentially influence the features of the jet.”

Artist’s concept of NuSTAR on orbit. Credit: NASA/JPL-Caltech

Astronomers can see the light from gamma-ray jets, but the distance means they can’t resolve images of the jets directly. Researchers have to interpret the light from these events to learn about the physical characteristics of faraway objects. It’s sort of like looking at footprints in the snow and inferring something about the physical traits of the person who left them.

In many cases, there may be more than one possible explanation for the light from a cosmic event. More than one X-ray telescope observed GRB 221009A, including NASA’s Neil Gehrels Swift Observatory and Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), as well as ESA’s XMM-Newton telescope. The NuSTAR data helped narrow down those possibilities. It shows that as the jet traveled into space, it collided with the interstellar medium, or the sparse sea of atoms and particles that fills the space between stars. This collision created X-rays – particles of light slightly less energetic than gamma rays.

“There are multiple X-ray telescopes operating in space, each with different strengths that can help astronomers understand these cosmic objects better,” said Daniel Stern, NuSTAR project scientist at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California.

Reference: “A structured jet explains the extreme GRB 221009A” by Brendan O’Connor, Eleonora Troja, Geoffrey Ryan, Paz Beniamini, Hendrik van Eerten, Jonathan Granot, Simone Dichiara, Roberto Ricci, Vladimir Lipunov, James H. Gillanders, Ramandeep Gill, Michael Moss, Shreya Anand, Igor Andreoni, Rosa L. Becerra, David A. H. Buckley, Nathaniel R. Butler, Stephen B. Cenko, Aristarkh Chasovnikov, Joseph Durbak, Carlos Francile, Erica Hammerstein, Alexander J. van der Horst, Mansi M. Kasliwal, Chryssa Kouveliotou, Alexander S. Kutyrev, William H. Lee, Gokul P. Srinivasaragavan, Vladislav Topolev, Alan M. Watson, Yuhan Yang and Kirill Zhirkov, 7 June 2023, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adi1405

More About the Mission

A Small Explorer mission led by Caltech and managed by the Jet Propulsion Laboratory (JPL) for NASA’s Science Mission Directorate in Washington, NuSTAR was developed in partnership with the Danish Technical University and the Italian Space Agency (ASI). The spacecraft was built by Orbital Sciences Corp. in Dulles, Virginia. NuSTAR’s mission operations center is at the University of California, Berkeley, and the official data archive is at NASA’s High Energy Astrophysics Science Archive Research Center at the agency’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. ASI provides the mission’s ground station and a mirror data archive. Caltech manages JPL for NASA.