Gammastrålningskurar (GRB) är korta och extremt kraftfulla kosmiska explosioner, plötsligt dyker upp på himlen, ungefär en gång om dagen. De tros vara resultatet av kollapsen av massiva stjärnor eller sammanslagning av neutronstjärnor i avlägsna galaxer. De börjar med en initial, mycket ljus blixt, kallad prompt emission, med en varaktighet som sträcker sig från en bråkdel av en sekund till hundratals sekunder. Den snabba emissionen åtföljs av den så kallade efterglöden, en mindre ljusare men mer långvarig emission över ett brett spektrum av våglängder som bleknar med tiden. Den första GRB som upptäcktes av MAGIC-teleskopen, känd som GRB 190114C, avslöjar för första gången de fotoner med högst energi som uppmätts från dessa objekt.

Denna banbrytande prestation av MAGIC ger kritisk ny insikt för att förstå de fysiska processerna som arbetar i GRB, som fortfarande är mystiska. De fotoner som detekteras av MAGIC måste härröra från en process som hittills inte har setts i efterglöden från GRB, tydligt skild från den fysiska processen som är känd för att vara ansvarig för deras utsläpp vid lägre energier.(Se sidoanteckningar för mer information om GRB, efterglöd, synkrotronemission, och MAGIC-teleskopen)

MAGISK detektering och multivåglängdsobservationer av GRB 190114C

Den 14 januari, 2019, en GRB upptäcktes oberoende av två rymdsatelliter:Neil Gehrels Swift Observatory och Fermi Gamma-ray Space Telescope. Evenemanget fick namnet GRB 190114C, och inom 22 sekunder, dess koordinater på himlen distribuerades som en elektronisk varning till astronomer över hela världen, inklusive MAGIC Collaboration, som driver två Cherenkov-teleskop med 17 m diameter i La Palma, Spanien. Eftersom GRB visas på oförutsägbara platser på himlen och sedan snabbt bleknar, deras observation med teleskop som MAGIC kräver en dedikerad uppföljningsstrategi.

Ett automatiskt system bearbetar i realtid GRB-varningarna från satellitinstrument och får MAGIC-teleskopen att snabbt peka mot GRB:s himmelposition. Teleskopen var designade för att vara mycket lätta och snabba att peka om:trots vikten på 64 ton vardera, de kan nå och börja observera en given position på himlen på bara cirka 25 sekunder. MAGIC kunde starta observationen av GRB 190114C bara 50 sekunder efter början av GRB.

Analysen av de resulterande data för de första tiotals sekunderna avslöjar emission av fotoner i efterglöden som når teraelektronvolt (TeV) energier, det är, en biljon gånger mer energisk än synligt ljus. Under denna tid, emissionen av TeV-fotoner från GRB 190114C var 100 gånger mer intensiv än den ljusaste kända stabila källan vid TeV-energier, krabbanebulosan. På det här sättet, GRB 190114C blev rekordsättaren som den ljusaste kända källan för TeV-fotoner. Som förväntat för GRB-efterglöd, utsläppet bleknade snabbt med tiden, liknande efterglödemissionen som hade varit känd vid lägre energier. De sista glimtarna såg MAGIC en halvtimme senare.

För första gången, den entydiga upptäckten av TeV-fotoner från en GRB tillkännagavs av MAGIC Collaboration för det internationella samfundet av astronomer bara några timmar efter satellitvarningarna, efter en noggrann kontroll av de preliminära uppgifterna. Detta underlättade en omfattande kampanj av multi-wavelength (MWL) uppföljningsobservationer av GRB 190114C av över två dussintals observatorier och instrument, ger en fullständig observationsbild av denna GRB från radiobandet till TeV-energier. Särskilt, optiska observationer möjliggjorde en mätning av avståndet till GRB 190114C. Man fann att denna GRB ligger i en galax från vilken det tog 4,5 miljarder år för ljuset att nå jorden.

Högsta energifotoner från en nyligen avslöjad emissionsprocess

Även om TeV-emission i GRB-efterglöd hade förutspåtts i några teoretiska studier, det hade varit observationsmässigt svårfångat under lång tid, trots många sökningar på TeV energier under de senaste decennierna med olika instrument, inklusive MAGIC. Vilken fysisk mekanism ligger bakom produktionen av de TeV-fotoner som slutligen upptäcktes av MAGIC? Antonio Stamerra, biträdande talesperson för MAGIC-samarbetet, påpekar:"Dessa energier är mycket högre än vad som kan förväntas från synkrotronstrålning, orsakas av högenergielektroner som spiralerar i magnetfält. Denna process anses vara ansvarig för de utsläpp som tidigare observerats vid lägre energier i GRB-efterglöd. Dessa nya resultat, tillsammans med mycket omfattande MWL-data, tillhandahålla det första otvetydiga beviset för ytterligare, distinkt emissionsprocess i efterglöden." Lara Nava, forskare med anknytning till MAGIC-samarbetet, tillägger:"Från vår studie, det mest sannolika ursprunget för TeV-emissionen är den så kallade omvända Compton-processen, där en population av fotoner höjs avsevärt i energi genom att kollidera med högenergielektroner."

"Efter mer än 50 år sedan GRB först upptäcktes, många av deras grundläggande aspekter är fortfarande mystiska, säger Razmik Mirzoyan, talesmannen för MAGIC Collaboration. "Upptäckten av gammastrålning från GRB 190114C i den nya, TeV-fönstret för det elektromagnetiska spektrumet visar att GRB-explosionerna är ännu kraftfullare än man trodde tidigare. Den rikedom av nya data om GRB 190114C som MAGIC förvärvat och de omfattande MWL-uppföljningsobservationerna ger nu viktiga ledtrådar för att reda ut några av mysterierna angående de fysiska processerna i arbete i GRBs."

En jämförande studie av alla tidigare GRB-uppföljningar av MAGIC tyder på att GRB 190114C inte var en särskilt unik händelse förutom dess relativa närhet (ljus tog 4,5 miljarder år att nå jorden), och att den framgångsrika upptäckten beror på instrumentets utmärkta prestanda. "MAGIC har öppnat ett nytt fönster för att studera GRBs, " säger Susumu Inoue, samordnaren för MAGIC Transients-arbetsgruppen som är mest involverad i projektet. "Våra resultat tyder på att vi kanske kan upptäcka många fler GRBs vid TeV-energier. Detta kommer att bana väg för en mycket djupare förståelse av dessa fascinerande kosmiska explosioner."

Studien publiceras i Natur .