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Das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi der NASA hat die möglicherweise stärkste Explosion seit dem Urknall untersucht und dabei ein bisher unbekanntes Merkmal entdeckt. Das Merkmal könnte das Ergebnis der Annihilation von Materie- und Antimaterieteilchen mit 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit sein.

Die Explosion war ein Beispiel für einen Gammastrahlenausbruch (GRB). Als er am 9. Oktober 2022 vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA und dem Neil-Gehrels-Swift-Observatorium zum ersten Mal gesehen wurde, wurde er als GRB 221009A bezeichnet. Die Stärke des GRB wurde bald deutlich, und er erhielt den Spitznamen „The Brightest Of All Time“ oder „BOAT“.

„Solange wir in der Lage sind, GRBs zu entdecken, steht es außer Frage, dass dieser GRB der hellste ist, den wir je beobachtet haben, und zwar um den Faktor 10 oder mehr“, erklärte Wen-fai Fong, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie und Leiter der Fong-Gruppe an der Northwestern University und einer der Entdecker des BOAT, etwa zu der Zeit, als er als so extrem hell eingestuft wurde.

Wissenschaftler vermuten, dass das BOAT durch eine Supernova-Explosion ausgelöst wurde, die mit dem Tod und dem Kollaps eines massereichen Sterns einherging, der etwa 2,4 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Dieses Ereignis hat wahrscheinlich ein Schwarzes Loch hinterlassen.

„Wenige Minuten nach dem Ausbruch des BOAT zeichnete der Fermi Gamma-ray Burst Monitor eine ungewöhnliche Energiespitze auf, die unsere Aufmerksamkeit erregte“, so die Forschungsleiterin Maria Edvige Ravasio von der Radboud Universität in einer Erklärung. „Als ich dieses Signal zum ersten Mal sah, bekam ich eine Gänsehaut. Unsere seitherige Analyse zeigt, dass es sich um die erste Emissionslinie handelt, die in den 50 Jahren der Erforschung von GRBs mit hoher Wahrscheinlichkeit beobachtet wurde.“

Was hat Fermi im BOOT gefunden?

Der erste Gammastrahlenausbruch wurde 1967 von den Vela-Satelliten der USA beobachtet; zwei Jahre später wurde er offiziell dokumentiert und 1973 der Öffentlichkeit vorgestellt.

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Seitdem haben Wissenschaftler eine Vielzahl von GRBs entdeckt und festgestellt, dass diese kurzen Lichtblitze kosmischen Ursprungs sind und die stärksten und heftigsten Explosionen im bekannten Universum darstellen. Der häufigste GRB-Typ tritt auf, wenn Sternen mit mindestens der achtfachen Sonnenmasse der Brennstoff für die Kernfusion in ihren Kernen ausgeht und sie nicht mehr in der Lage sind, dem nach innen gerichteten Druck ihrer eigenen Schwerkraft entgegenzuwirken; ihre Kerne kollabieren. Dadurch entsteht ein rotierendes Schwarzes Loch, das Materie zu seinen Polen leitet und sie in Form von Strahlen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit hinausschleudert.

Wenn diese Jets direkt auf die Erde gerichtet sind, sehen wir sie als GRB.

GRBs sind so stark, dass ein Ausbruch im Umkreis von einigen tausend Lichtjahren um die Erde das Leben auf unserem Planeten auslöschen könnte, indem die Atmosphäre gestört oder zerstört wird. Doch selbst unter all diesen erschreckenden Ereignissen stach das BOAT fast sofort hervor.

Wissenschaftler stellten schließlich anhand von Statistiken über andere beobachtete GRBs fest, dass ein so starkes und helles Ereignis wie der BOAT nur einmal alle 10.000 Jahre am Himmel über der Erde zu sehen wäre. Sie fanden auch heraus, dass der BOAT trotz seiner Entfernung von 2,4 Milliarden Lichtjahren tatsächlich Auswirkungen auf die Erdatmosphäre hatte.

Eine Illustration, die zeigt, wie GRBs von den Triebwerken schwarzer Löcher gestartet werden. (Bildnachweis: NASA/Goddard Flight Center)

Am 9. Oktober 2022 sättigte das hochenergetische Gammastrahlenlicht des BOAT die meisten Gammastrahlendetektoren in der Umlaufbahn, einschließlich derer an Bord von Fermi. Dies verhinderte, dass die tatsächliche Leistung der Explosion zum intensivsten Zeitpunkt ihrer Dauer gemessen werden konnte. Etwa fünf Minuten nach der Entdeckung des BOAT wurde er jedoch so stark abgeschwächt, dass Fermi ihn wieder sehen konnte. Das NASA-Gammastrahlenteleskop entdeckte ein merkwürdiges Merkmal in seinem Licht oder „Spektrum“, eine so genannte „vermeintliche Emissionslinie“.

Wenn Licht Materie durchdringt, hinterlassen Elemente, die Licht in bestimmten Frequenzen absorbieren und emittieren, „Fingerabdrücke“ auf diesem Licht. Das bedeutet, dass Wissenschaftler die Elemente rekonstruieren können, die dieses Licht durchquert hat, und die chemische Zusammensetzung von Objekten bestimmen können, mit denen es in Wechselwirkung getreten ist.

„Während einige frühere Studien über mögliche Hinweise auf Absorptions- und Emissionsmerkmale in anderen GRBs berichteten, ergab eine spätere Untersuchung, dass es sich dabei nur um statistische Schwankungen handeln könnte. Was wir in BOAT sehen, ist etwas anderes“, sagte Teammitglied Om Sharan Salafia vom INAF-Brera-Observatorium in Mailand in der Erklärung. „Wir haben festgestellt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei diesem Merkmal nur um eine Rauschschwankung handelt, weniger als eine Chance unter einer halben Milliarde beträgt.“

Eine Illustration der Supernova, die den BOAT auslöste, den Gammastrahlenausbruch, der die stärkste kosmische Explosion seit dem Urknall darstellt (Bildnachweis: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services).Die von Fermi im Licht des BOAT gesehene Emissionslinie dauerte etwa 40 Sekunden und erreichte eine Spitzenenergie von 12 Millionen Elektronenvolt (MeV). Die Energie des Lichts im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt zwischen zwei und drei Elektronenvolt (eV).

Die Forscher glauben zu wissen, was diese Eigenschaft verursacht. Jedes Materieteilchen hat einen Antimaterieteilchen-„Zwilling“. Wenn sich diese Teilchen treffen, vernichten sie sich und geben ihre Energie an das Universum ab. Es ist möglich, dass das Spektralmerkmal, das das Team im BOAT gesehen hat, von der Annihilation von Elektronen und ihren Antimaterie-Äquivalenten, den Positronen, herrührt.

„Wenn ein Elektron und ein Positron kollidieren, annihilieren sie und erzeugen ein Gammastrahlenpaar mit einer Energie von 0,511 MeV“, sagte Teammitglied Gor Oganesyan vom Gran Sasso Science Institute in der Erklärung. „Da wir in den Jet blicken, in dem sich die Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird diese Emission stark blauverschoben und zu viel höheren Energien getrieben.“

Wenn das Team Recht hat, müssen die Teilchen mit etwa 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit unterwegs gewesen sein, bevor sie sich gegenseitig vernichtet haben.

„Nach jahrzehntelangem Studium dieser unglaublichen kosmischen Explosionen verstehen wir immer noch nicht die Details, wie diese Jets funktionieren“, sagte Teammitglied Elizabeth Hays, die Fermi-Projektwissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center der NASA, in der Erklärung. „Hinweise wie diese zu finden, ist bemerkenswert.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Freitag (26. Juli) in der Zeitschrift Science veröffentlicht.