Erste Kollision eines Neutronensterns im Millimeterlicht – ALMA-Teleskope zeigen das Nachleuchten eines der bisher stärksten Gammablitze

Das explosive Ende: Astronomen haben erstmals eine der energiereichsten Millimeterwellenexplosionen im Universum beobachtet – die Kollision eines Neutronensterns mit einem Begleitstern. Der daraus resultierende kurze Gammastrahlenausbruch war einer der stärksten, der jemals entdeckt wurde. Die Analyse nachfolgender Polarlichter im Millimeterwellenbereich ermöglichte es den Forschern, den Ursprung der Explosion zu bestimmen und ihre energiereichen Jets zu sehen – was wichtige Informationen über solche Ereignisse lieferte.

Gammastrahlenausbrüche Sie sind die hellsten und energiereichsten Ausbrüche im Universum: Innerhalb weniger Sekunden können sie so viel Strahlung abgeben, wie unsere Sonne ihr ganzes Leben lang getan hat. Es ist wahrscheinlich, dass lange Gammastrahlenausbrüche auftreten, die bis zu einigen Minuten dauern können Supernovaekurze Ausbrüche hingegen gehen zu Neutronen stern Kollision Stern wieder. Sie sind die “Fabriken”, in denen die schweren Elemente unseres Universums gebildet werden.

Die Explosion einer solchen Kollision erzeugt konzentrierte Strahlen aus energiereichen Teilchen und Strahlung. Trifft einer dieser bewegten Strahlen auf die Erde, erzeugt er einen kurzen Gammastrahlenpuls, der meist nur wenige Zehntelsekunden dauert.

Millimeterwellen-Nachleuchten von GRB 211106A, gesehen von ALMA.© ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Laskar (Utah), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

Ausrichtung auf die Aurora von Gammastrahlenausbrüchen

Jetzt konnten Astronomen zum ersten Mal das Millimeterwellen-Nachleuchten eines so kurzen Gammastrahlenausbruchs einfangen. „Die Strahlung des Nachleuchtens ist wichtig, um zu wissen, aus welcher Galaxie der Gammastrahlenausbruch kam und wie es zur Explosion kam“, erklärt Erstautor Tanmoy Laskar von der Radboud-Universität in den Niederlanden. Von besonderem Interesse sind die Anteile langwelliger Strahlung, die durch die Wechselwirkung von Jets mit dem umgebenden Gas entstehen.

Das Problem ist jedoch, dass Astronomen bisher nur sechs kurze Gammastrahlenausbrüche im Radiowellenbereich beobachten konnten, die verfügbaren Teleskope aber für Millimeterwellen zu schwach und die Ausbrüche zu weit entfernt waren. Erst jetzt ist es dank der hohen Auflösung und Empfindlichkeit des Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array (ALMA) erstmals gelungen, Millimeterstrahlung einer solchen Neutronensternkollision einzufangen.

Ein Blitz aus einer weit, weit entfernten Galaxie

Der Gammastrahlenausbruch GRB 211106A wurde erstmals am 6. November 2021 vom Integrated Gamma Ray Observatory der ESA entdeckt, woraufhin Astronomen mehrere andere Teleskope auf die Quelle richteten, darunter das Swift-Röntgenteleskop der NASA und das Hubble-Weltraumteleskop sowie ALMA-Antennen. Hubble-Bilder grenzten das Feld der Kandidatengalaxien ein, aber nur Millimeterwellen-ALMA-Daten enthüllten den wahren Ort und die Art der Eruption.

Dementsprechend fand diese Kollision zwischen Neutronensternen in einer Entfernung statt, die einer Rotverschiebung von z = 0,7 auf 1,4 entsprach. Das bedeutet, dass der Gammastrahlenausbruch stattfand, als das Universum nur 40 Prozent seines heutigen Alters hatte. „Als solche war diese Kollision zwischen Neutronensternen weit davon entfernt, die von ihr erzeugten Gravitationswellen zu erfassen – sie lag außerhalb der Reichweite unserer derzeitigen Gravitationswellendetektoren“, sagt Co-Autor Wen Fei Fung von der Northwestern University.

Die Standardenergie brechen

Wichtiger waren die Informationen aus Millimeterwellen. „Die Millimeterstrahlung kann uns etwas über die Intensität der Umgebung des Gammastrahlenausbruchs verraten. Kombiniert mit Daten im Gamma- und Röntgenbereich können wir daraus die wahre Energie der Explosion bestimmen“, erklärt er Fung-Kollegin Genevieve Schroeder. Bei GRB 211106A wurde offenbar ein Teil der bei der Explosion freigesetzten Energie von den umgebenden Staubwolken absorbiert.

Berücksichtigt man das, muss die Explosion normale Energie freigesetzt haben: Astronomen haben einen Wert zwischen 2 x 10 festgelegt50 und 6 x 1051 „Die Energie gehört damit zu den höchsten, die jemals für einen kurzen Gammastrahlenausbruch identifiziert wurden“, sagen Laskar und Kollegen. Auch das hintere Polarlicht des GRB 211106A zeigt mehrere Superlative. Die nach der Explosion emittierten Röntgenstrahlen sollen zu den stärksten gehören, die jemals bei einem solchen Gammastrahlenausbruch entdeckt wurden, und dasselbe gilt für Radioemissionen.

Spritzen mit größerem Öffnungswinkel

Millimeterstrahlung ist auch aus einem anderen Grund wichtig: „Millimeterwellen und Radio lieferten uns die Informationen, die wir brauchten, um den Öffnungswinkel eines Flugzeugs zu messen“, erklärt Co-Autorin Alicia Rocco Escorial von der Northwestern University. „Dies ist notwendig, um die Eigenschaften kurzer Gammastrahlenausbrüche im Universum zu bestimmen und sie beispielsweise mit der Häufigkeit von Neutronensternkollisionen und Verschmelzungen von Schwarzen Löchern von Neutronensternen zu vergleichen.“

Die Analyse der ALMA-Daten zeigte, dass das Flugzeug von GRB 211106A einen Öffnungswinkel von etwa 15,5 Grad hat. „Dies ist einer der weitesten Strahlausbreitungswinkel, der je in einem kurzen Gammastrahlenausbruch beobachtet wurde“, sagten die Astronomen. Aus ihren Daten schließen sie, dass ALMA in Zukunft jedes Jahr von einer vergleichbaren Veranstaltung erfahren könnte. „Das übertrifft alle bisherigen Erkennungsraten für kurze Gammablitze im Radiobereich“, sagt das Team.

Neue Möglichkeiten für die astronomische Forschung

Astronomen glauben, dass die Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen und ihres Horizonts im gesamten Strahlungsspektrum neue Möglichkeiten für die Untersuchung dieser immer noch mysteriösen massiven Explosionen eröffnet. “Diese Beobachtungen sind auf vielen Ebenen faszinierend. Sie geben uns mehr Informationen über mysteriöse Gammastrahlenausbrüche und die Astrophysik von Neutronensternen im Allgemeinen”, kommentiert Joe Pesci von der US National Science Foundation.

Auch das neue James-Webb-Teleskop ist von großem Interesse. „Mit dem Webb-Teleskop können wir nun das Lichtspektrum der Hauptgalaxien solcher Ausbrüche analysieren und so die Entfernung einfacher bestimmen“, erklärt Laskar. „Darüber hinaus können wir mit JWST auch das Nachleuchten im Infrarotbereich untersuchen und so mehr über die chemische Zusammensetzung erfahren.“ (The Astrophysical Journal Letters, Preprint; arXiv: 2205.03419)

Quelle: National Radio Astronomy Observatory (NRAO), Northwestern University

Leave a Comment

%d bloggers like this: