Blog

Eine Illustration der Supernova, die das 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.)

Mit Hilfe des James Webb Weltraumteleskops (JWST) haben Wissenschaftler endlich die mysteriösen Ursprünge des „BOAT“, der möglicherweise größten kosmischen Explosion seit dem Urknall, aufgeklärt.

Der hellste Gammastrahlenausbruch aller Zeiten (daher das Akronym „Brightest Of All Time“), auch bekannt als BOAT, scheint durch eine Supernova-Explosion ausgelöst worden zu sein, die den Tod und Kollaps eines massereichen Sterns in einer Entfernung von etwa 2,4 Millionen Lichtjahren begleitete. Mit der Lösung dieses kosmischen Rätsels hat das Astrophysikerteam jedoch noch ein weiteres himmlisches Rätsel geöffnet. Denn Spuren von schweren Elementen wie Gold und Platin, die man in der Nähe einer solchen Supernova erwarten würde, sind nirgends zu finden.

„Dies war ein Ereignis, das die Erde nur einmal alle 10.000 Jahre erlebt“, sagte Peter Blanchard, Teamleiter und Wissenschaftler an der Northwestern University, in einer Erklärung. „Das Ereignis erzeugte einige der energiereichsten Photonen, die jemals von Satelliten aufgezeichnet wurden, die zum Aufspüren von Gammastrahlen entwickelt wurden.“

„Als wir bestätigten, dass der GRB durch den Kollaps eines massereichen Sterns erzeugt wurde, gab uns das die Möglichkeit, eine Hypothese darüber zu testen, wie einige der schwersten Elemente im Universum gebildet werden“, fügte Blanchard hinzu. „Wir haben keine Signaturen dieser schweren Elemente gesehen, was darauf hindeutet, dass extrem energiereiche GRBs wie der BOAT diese Elemente nicht erzeugen.“

Wissenschaftler haben das BOAT nicht verpasst

Das BOAT, das offiziell als GRB 221009A bezeichnet wird, wurde erstmals am 9. Oktober 2022 gesichtet und hob sich aufgrund seiner extremen Natur sofort von anderen GRBs ab. Astronomen entdeckten ihn als einen immens hellen Blitz hochenergetischer Gammastrahlen, gefolgt von einem abklingenden Nachleuchten in vielen Wellenlängen des Lichts.

Der starke GRB wurde zuerst von Gammastrahlen- und Röntgenteleskopen entdeckt, darunter das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA und das Neil Gehrels Swift Observatory. Nach der ersten Entdeckung des BOATs beeilten sich die Astronomen, die mögliche Quelle zu finden. Sie richteten ihre Teleskope in Richtung des Sternbilds Sagitta, weil sie glaubten, dass dort die Antwort liegen müsse.

Erhalten Sie den kosmischeweiten.de Newsletter

Brennende Weltraumnachrichten, die neuesten Updates zu Raketenstarts, Himmelsbeobachtungen und mehr!

Durch die Übermittlung Ihrer Daten erklären Sie sich mit den Allgemeinen Geschäftsbedingungen und der Datenschutzrichtlinie einverstanden und sind mindestens 16 Jahre alt.

„Seit 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“, sagte Wen-fai Fong, einer der Entdecker des BOAT, ein außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie und Leiter der Fong-Gruppe an der Northwestern University, zum Zeitpunkt der Entdeckung.

Blanchard und seine Kollegen haben sich jedoch nicht auf die Jagd nach dem BOOT gemacht.

Stattdessen wollten sie den BOAT in seiner Entwicklung beobachten und ihn in seinen späteren Phasen verfolgen. Daher richteten sie das JWST auf den abklingenden Gammastrahlenausbruch etwa sechs Monate nach seiner ersten Entdeckung aus.

Der hellste jemals gesehene Gammastrahlenausbruch, beobachtet vom Swift-Röntgenteleskop etwa eine Stunde nach seinem Ausbruch. (Bildnachweis: NASA/Swift/A. Beardmore (Universität von Leicester))

Der GRB war so hell, dass er in den ersten Wochen und Monaten nach dem Ausbruch jede mögliche Supernova-Signatur verdeckte“, so Blanchard. „Zu dieser Zeit war das so genannte Nachleuchten des GRB wie die Scheinwerfer eines Autos, die direkt auf einen zukommen und verhindern, dass man das Auto selbst sieht.

„Wir mussten also warten, bis es deutlich schwächer wurde, damit wir die Supernova sehen konnten.“

Mit dem Nahinfrarotspektrographen (NIRSpec) des JWST beobachteten Blanchard und Kollegen das Infrarot-Nachleuchten des BOAT. Dabei wurde die Signatur von Elementen wie Kalzium und Sauerstoff entdeckt, die alle für Supernovas charakteristisch sind.

Überraschend war jedoch, dass die Supernova, die das BOAT ausgelöst hat, für einen solch explosiven Sternentod ziemlich durchschnittlich zu sein scheint, obwohl es sich um die stärkste kosmische Eruption dieser Art handelt, die je entdeckt wurde.

„Sie ist nicht heller als frühere Supernovas. Im Vergleich zu anderen Supernovas, die mit weniger energiereichen GRBs in Verbindung gebracht werden, sieht sie ziemlich normal aus“, so Blanchard. „Man könnte erwarten, dass derselbe kollabierende Stern, der einen sehr energiereichen und hellen GRB erzeugt, auch eine sehr energiereiche und helle Supernova hervorbringen würde. Aber es stellt sich heraus, dass das nicht der Fall ist. Wir haben diesen extrem leuchtenden GRB, aber eine normale Supernova.“

Eine Illustration einer „normalen Supernova“, falls es so etwas gibt (Bildnachweis: Melissa Weiss/CfA)

Das Team ist sich derzeit nicht sicher, wie eine „normale“ Supernova eine so gewaltige Energieexplosion wie das BOAT hätte erzeugen können.

Teammitglied und Assistenzprofessor für Physik an der University of Utah, Tammoy Laskar, glaubt, dass der extreme GRB ein Ergebnis der Form und Struktur von Strahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit sein könnte, die von kollabierenden massiven Sternen bei der Entstehung von Schwarzen Löchern ausgestoßen werden. Wenn ein massereicher Stern beim Kollaps schnell rotiert, sind die Strahlen, die er ausstößt, schmal, dann fokussierter und damit heller.

„Es ist so, als würde man den Strahl einer Taschenlampe auf eine schmale Säule fokussieren, im Gegensatz zu einem breiten Strahl, der eine ganze Wand umspült“, sagte Laskar. „In der Tat war dies einer der schmalsten Jets, die bisher bei einem Gammastrahlenausbruch beobachtet wurden, was uns einen Hinweis darauf gibt, warum das Nachleuchten so hell erschien.

„Möglicherweise sind auch andere Faktoren dafür verantwortlich, eine Frage, mit der sich die Forscher in den kommenden Jahren beschäftigen werden.“

Ein weiterer Aspekt dieser Supernova, der eine genauere Untersuchung rechtfertigen wird, ist nicht etwas, das sie hat, sondern eher das, was ihr zu fehlen scheint.

Die fehlenden Elemente

Die Herzen der Sterne sind wie Sternenöfen, in denen leichte Elemente zu immer schwereren Elementen verschmolzen werden. Bei diesem Prozess entstehen Elemente bis hin zu Eisen, aber danach haben selbst die massivsten Sterne Schwierigkeiten, schwerere Elemente wie Gold und Platin zu verschmelzen.

Seit vielen Jahren vermuten Wissenschaftler, dass diese relativ schwereren Elemente entstehen, wenn massereiche, tote Sterne, so genannte Neutronensterne, zusammenstoßen. Das JWST hat kürzlich eine Schlüsselrolle bei der Bestätigung dieser Theorie gespielt.

Doch die Forscher dachten auch, dass die extremen Umgebungen, die in der Nähe von Supernovas entstehen, die GRBs auslösen können, den „schnellen Einfang“ von Neutronen, den „r-Prozess“, der Elemente wie Gold schmiedet, erleichtern könnten. Der Grund für diese Vermutung ist, dass Neutronensternkollisionen allein zu selten zu sein scheinen, um die Mengen an Elementen zu erzeugen, die schwerer als Blei sind und die Wissenschaftler im frühen Universum beobachten.

Eine Illustration zweier Neutronensterne, die kollidieren und verschmelzen, um eine Kilonova-Explosion zu erzeugen, die mit Sicherheit schwere Elemente schmiedet. (Bildnachweis: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

„Es gibt wahrscheinlich eine andere Quelle. Es dauert sehr lange, bis binäre Neutronensterne verschmelzen. Zwei Sterne in einem Doppelsternsystem müssen zunächst explodieren, um Neutronensterne zu hinterlassen. Dann kann es Milliarden und Abermilliarden von Jahren dauern, bis sich die beiden Neutronensterne langsam immer mehr annähern und schließlich verschmelzen“, so Blanchard. „Beobachtungen von sehr alten Sternen deuten jedoch darauf hin, dass Teile des Universums mit Schwermetallen angereichert waren, bevor die meisten binären Neutronensterne Zeit hatten, zu verschmelzen.

„Das weist uns auf einen alternativen Kanal hin.“

Dieser alternative Kanal war als Kollaps eines sich schnell drehenden und massiven Sterns theoretisiert worden, genau die Art von Ereignis, von der Wissenschaftler jetzt bestätigt haben, dass sie das BOAT ausgelöst hat.

Mit Hilfe des JWST konnte das Team einen Blick in die tiefen Schichten dieser Supernova werfen, wo Elemente, die schwerer als Eisen sind, geschmiedet werden sollten. „Das explodierte Material des Sterns ist in der Anfangsphase undurchsichtig, so dass man nur die äußeren Schichten sehen kann“, sagte Blanchard. „Aber sobald es sich ausdehnt und abkühlt, wird es transparent. Dann kann man die Photonen sehen, die aus der inneren Schicht der Supernova kommen. Außerdem absorbieren und emittieren verschiedene Elemente je nach ihrer atomaren Struktur Photonen bei unterschiedlichen Wellenlängen, was jedem Element eine einzigartige spektrale Signatur verleiht.

Das bedeutet, dass Astronomen anhand des Spektrums eines Objekts feststellen können, welche Elemente vorhanden sind.

„Bei der Untersuchung des BOAT-Spektrums konnten wir keine Signatur schwerer Elemente feststellen, was darauf hindeutet, dass extreme Ereignisse wie GRB 221009A keine primären Quellen sind“, sagte Blanchard. „Dies ist eine wichtige Information, da wir weiterhin versuchen, den Entstehungsort der schwersten Elemente zu bestimmen.“

Eine Illustration eines Gammastrahlenausbruchs, der aus einer dichten Umgebung um einen kollabierenden massereichen Stern ausbricht. (Bildnachweis: NASA, ESA und M. Kornmesser)

Blanchard sagt auch, dass die Tatsache, dass in der Nähe der BOAT-Supernova-Quelle keine schweren Elemente entdeckt wurden, nicht bedeutet, dass die Wissenschaftler die Untersuchung des GRB-Kanals für die Produktion schwerer Elemente bereits aufgeben sollten.

„Das bedeutet nicht, dass alle GRBs diese Elemente nicht produzieren, aber es ist eine wichtige Information, um zu verstehen, woher diese schweren Elemente kommen“, sagt er. „Zukünftige Beobachtungen mit JWST werden zeigen, ob die ’normalen‘ Vettern des BOAT diese Elemente produzieren.“

Zusätzlich zu den Erkenntnissen über den BOAT und der Bestätigung seines Ursprungs mit dem JWST konnte das Team auch die Signatur eines intensiven Sternentstehungsprozesses in der Wirtsgalaxie des Ereignisses nachweisen. Dies deutet darauf hin, dass der Stern, der bei der Geburt des BOAT starb, in einer anderen Umgebung als andere Supernova-Sterne entstanden sein könnte.

Ein Aspekt dieser Galaxie, der dazu beitragen könnte, die Geheimnisse des BOAT weiter zu enträtseln, ist die Tatsache, dass sie eine geringe Konzentration von Elementen zu haben scheint, die schwerer sind als Wasserstoff oder Helium und die von den Astronomen als „Metalle“ bezeichnet werden.

„Dies ist ein weiterer einzigartiger Aspekt der BOAT, der helfen könnte, ihre Eigenschaften zu erklären“, sagte Yijia Li, Mitglied des Teams und Doktorand an der Penn State University, in der Erklärung.

„Wir haben das Glück, in einer Zeit zu leben, in der wir die Technologie haben, um diese Ausbrüche im gesamten Universum zu entdecken“, schloss Blanchard. „Es ist so aufregend, ein so seltenes astronomisches Phänomen wie den B.O.A.T. zu beobachten und daran zu arbeiten, die Physik hinter diesem außergewöhnlichen Ereignis zu verstehen.“

Die Forschungsarbeit wurde am Freitag (12. April) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.