Einleitung
Am Sonntag, 9. Oktober, Judith Racusin war 35,000 Fuß in der Luft, auf dem Weg zu einer hochenergetischen Astrophysik-Konferenz, als die größte kosmische Explosion der Geschichte stattfand. „Ich landete, schaute auf mein Handy und hatte Dutzende von Nachrichten“, sagte Racusin, ein Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland. „Es war wirklich außergewöhnlich.“
Die Explosion war ein langer Gammastrahlenausbruch, ein kosmisches Ereignis, bei dem ein massiver sterbender Stern mächtige Energiestrahlen freisetzt, wenn er in ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern kollabiert. Dieser besondere Ausbruch war so hell, dass er das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop übersättigte, ein umlaufendes NASA-Teleskop, das teilweise zur Beobachtung solcher Ereignisse entwickelt wurde. „Es gab so viele Photonen pro Sekunde, dass sie nicht mithalten konnten“, sagte er Andreas Levan, Astrophysiker an der Radboud University in den Niederlanden. Der Ausbruch scheint sogar die Ionosphäre der Erde, die obere Schicht der Erdatmosphäre, verursacht zu haben an Größe anschwellen für mehrere Stunden. „Die Tatsache, dass man die Ionosphäre der Erde von einem Objekt auf halbem Weg durch das Universum verändern kann, ist ziemlich unglaublich“, sagte er Doug Welch, ein Astronom an der McMaster University in Kanada.
Astronomen nannten es frech das BOOT – „das hellste aller Zeiten“ – und fingen an, es zu quetschen, um Informationen über Gammastrahlenausbrüche und den Kosmos im Allgemeinen zu erhalten. „Selbst in 10 Jahren wird es aus diesem Datensatz neue Erkenntnisse geben“, sagte er Eric Burns, ein Astrophysiker an der Louisiana State University. „Es ist mir immer noch nicht ganz klar, dass das wirklich passiert ist.“
Die erste Analyse legt nahe, dass es zwei Gründe gibt, warum das BOOT so hell war. Erstens ereignete es sich etwa 2.4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt – ziemlich nah für Gammastrahlenausbrüche (obwohl weit außerhalb unserer Galaxie). Es ist auch wahrscheinlich, dass der starke Strahl des BOOTES auf uns gerichtet war. Die Kombination dieser beiden Faktoren macht dies zu einem Ereignis, das nur einmal alle paar hundert Jahre auftritt.
Die vielleicht folgenreichste Beobachtung geschah in China. Dort, in der Provinz Sichuan, verfolgt das Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) hochenergetische Teilchen aus dem All. In der Geschichte der Gammastrahlenausbruch-Astronomie haben Forscher nur wenige hundert hochenergetische Photonen gesehen, die von diesen Objekten ausgehen. LHAASO sah 5,000 von diesem einen Ereignis. „Der Gammastrahlenausbruch ging im Grunde direkt über ihnen am Himmel los“, sagte er Sylvia Shu, Astrophysiker am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.
Unter diesen Entdeckungen befand sich ein vermutetes hochenergetisches Photon mit 18 Teraelektronenvolt (TeV) – viermal höher als alles, was zuvor von einem Gammastrahlenausbruch gesehen wurde, und energiereicher als die höchsten Energien, die mit dem Large Hadron Collider erreichbar sind. Ein solch hochenergetisches Photon hätte auf dem Weg zur Erde verloren gehen müssen, absorbiert durch Wechselwirkungen mit dem Hintergrundlicht des Universums.
Wie ist es also hierher gekommen? Einer Möglichkeit ist, dass nach dem Gammastrahlenausbruch ein hochenergetisches Photon in ein Axion-ähnliches Teilchen umgewandelt wurde. Axionen sind hypothetische leichte Partikel, die könnte dunkle Materie erklären; Axion-ähnliche Partikel gelten als etwas kräftiger. Hochenergetische Photonen könnten sein in solche Teilchen umgewandelt durch starke Magnetfelder, wie sie um einen implodierenden Stern herum entstehen. Das Axion-ähnliche Teilchen würde sich dann ungehindert durch die Weiten des Weltraums bewegen. Bei seiner Ankunft in unserer Galaxie würden Magnetfelder es wieder in ein Photon umwandeln, das dann seinen Weg zur Erde finden würde.
In der Woche nach der ersten Entdeckung, mehrere Teams von Astrophysikern schlug diesen Mechanismus vor in Artikeln, die auf die wissenschaftliche Preprint-Site arxiv.org hochgeladen wurden. „Es wäre eine sehr unglaubliche Entdeckung“, sagte Giorgio Galanti, ein Astrophysiker am Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) in Italien, der einer der Mitautoren war erste dieser Papiere.
Wieder andere Forscher fragen sich, ob die Entdeckung von LHAASO ein Fall von falscher Identität sein könnte. Vielleicht kam das hochenergetische Photon woanders her, und seine genau richtige Ankunftszeit war einfach ein Zufall. "Ich bin sehr skeptisch", sagte er Milena Crnogorčević, ein Astrophysiker an der University of Maryland. "Ich tendiere derzeit dazu, dass es sich um ein Hintergrundereignis handelt." (Um die Sache noch komplizierter zu machen, ein russisches Observatorium berichtet ein Treffer durch ein noch energiereicheres 251-TeV-Photon, das aus dem Ausbruch stammt. Aber „darüber ist noch nicht entschieden“, sagte Racusin, stellvertretender Projektwissenschaftler am Fermi-Teleskop. „Ich bin etwas skeptisch.“)
Bisher hat das LHAASO-Team keine detaillierten Ergebnisse seiner Beobachtungen veröffentlicht. Burns, der eine globale Zusammenarbeit zur Erforschung des BOOTES koordiniert, hofft, dass dies der Fall ist. „Ich bin sehr neugierig zu sehen, was sie haben“, sagte er. Aber er versteht, warum ein gewisses Maß an Vorsicht gerechtfertigt sein kann. „Wenn ich auf Daten säße, die auch nur eine Chance von wenigen Prozent hätten, einen eindeutigen Beweis für Dunkle Materie zu sein, wäre ich im Moment außerordentlich vorsichtig“, sagte Burns. Wenn das Photon mit dem BOOT in Verbindung gebracht werden kann, „wäre es sehr wahrscheinlich ein Beweis für neue Physik und möglicherweise dunkle Materie“, sagte Crnogorčević. Das LHAASO-Team antwortete nicht auf eine Bitte um Stellungnahme.
Selbst ohne die Daten von LHAASO könnte die schiere Menge an Licht, die von dem Ereignis aus gesehen wird, es Wissenschaftlern ermöglichen, einige der größten Fragen zu Gammastrahlenausbrüchen zu beantworten, einschließlich wichtiger Rätsel über den Jet selbst. „Wie wird der Jet gestartet? Was geht in dem Jet vor sich, während er sich in den Weltraum ausbreitet?“ sagte Tyler Parsotan, ein Astrophysiker bei Goddard. „Das sind wirklich große Fragen.“
Andere Astrophysiker hoffen, das BOOT zu verwenden, um herauszufinden, warum nur einige Sterne Gammastrahlenausbrüche erzeugen, wenn sie zur Supernova werden. „Das ist eines der großen Geheimnisse“, sagte er Yvette Cendez, ein Astronom am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Es muss ein sehr massiver Stern sein. Eine Galaxie wie die unsere erzeugt vielleicht alle Millionen Jahre einen Gammastrahlenausbruch. Warum erzeugt eine so seltene Population Gammastrahlenausbrüche?“
Ob Gammastrahlenausbrüche im Kern des kollabierten Sterns zu einem Schwarzen Loch oder einem Neutronenstern führen, ist ebenfalls eine offene Frage. Eine vorläufige Analyse des BOOTES legt nahe, dass in diesem Fall ersteres geschah. „Der Jet enthält so viel Energie, dass es sich im Grunde genommen um ein Schwarzes Loch handeln muss“, sagte Burns.
Sicher ist, dass dies ein kosmisches Ereignis ist, das für viele, viele Leben nicht verdunkelt werden wird. „Wir werden alle lange tot sein, bevor wir die Chance bekommen, dies noch einmal zu tun“, sagte Burns.
