De starkaste explosionerna i universum producerar ännu mer energisk strålning än tidigare känt:med hjälp av specialiserade teleskop, två internationella team har registrerat den högsta energin gammastrålar som någonsin uppmätts från så kallade gammastrålningskurar, når cirka 100 miljarder gånger så mycket energi som synligt ljus. Forskarna vid H.E.S.S. och MAGIC-teleskop presenterar sina observationer i oberoende publikationer i tidskriften Natur . Dessa är de första upptäckterna av gammastrålningskurar med markbaserade gammastrålningsteleskop. DESY spelar en stor roll i båda observatorierna, som drivs under ledning av Max Planck Society.

Gammastrålningskurar (GRB) är plötsliga, korta skurar av gammastrålning som händer ungefär en gång om dagen någonstans i det synliga universum. Enligt nuvarande kunskap, de härrör från kolliderande neutronstjärnor eller från supernovaexplosioner av jättesolar som kollapsar i ett svart hål. "Gammastrålningskurar är de mest kraftfulla explosioner som är kända i universum och släpper vanligtvis ut mer energi på bara några sekunder än vår sol under hela dess livstid - de kan lysa genom nästan hela det synliga universum, " förklarar David Berge, chef för gammastrålastronomi vid DESY. Det kosmiska fenomenet upptäcktes av en slump i slutet av 1960-talet av satelliter som användes för att övervaka efterlevnaden av kärnprovsförbudet på jorden.

Sedan dess, astronomer har studerat gammastrålningskurar med satelliter, eftersom jordens atmosfär mycket effektivt absorberar gammastrålar. Astronomer har utvecklat specialiserade teleskop som kan observera ett svagt blått sken som kallas Cherenkov-ljus som kosmiska gammastrålar inducerar i atmosfären, men dessa instrument är bara känsliga för gammastrålar med mycket hög energi. Tyvärr, ljusstyrkan hos gammastrålning faller brant med ökande energi. Cherenkov-teleskop har identifierat många källor till kosmisk gammastrålning vid mycket höga energier, men inga gammastrålar. Satelliter, å andra sidan, har alldeles för små detektorer för att vara känsliga för den låga ljusstyrkan hos gammastrålar vid mycket höga energier. Så, det var faktiskt okänt, om monsterexplosionerna sänder ut gammastrålar även i mycket högenergiregimen.

Forskare har försökt i många år, att fånga en gammastrålning med Cherenkov-teleskop. Sen plötsligt, mellan sommaren 2018 och januari 2019, två internationella team av astronomer, båda involverar DESY-forskare, detekterade gammastrålar från två GRB-händelser för första gången från marken. Den 20 juli 2018, svagt efterglödemission av GRB 180720B i gammastrålningsregimen observerades med 28-metersteleskopet i High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. i Namibia. Den 14 januari 2019, ljus tidig emission från GRB 190114C upptäcktes av Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) teleskop på La Palma, och omedelbart meddelade det astronomiska samfundet.

Båda observationerna utlöstes av gammastrålningssatelliter från den amerikanska rymdorganisationen NASA som övervakar himlen efter gammastrålning och skickar automatiska varningar till andra gammastrålningsobservatorier vid upptäckt. "Vi kunde peka på ursprungsregionen så snabbt att vi kunde börja observera bara 57 sekunder efter den första upptäckten av explosionen, " rapporterar Cosimo Nigro från MAGIC-gruppen på DESY, som var ansvarig för observationsskiftet vid den tiden. "Under de första 20 minuterna av observation, vi upptäckte tusentals fotoner från GRB 190114C."

MAGIC registrerade gammastrålar med energier mellan 200 och 1000 miljarder elektronvolt (0,2 till 1 teraelektronvolt). "Detta är de överlägset högsta energifotonerna som någonsin upptäckts från en gammastrålning, säger Elisa Bernardini, ledare för MAGIC-gruppen på DESY. Som jämförelse:synligt ljus ligger i intervallet cirka 1 till 3 elektronvolt.

Den snabba upptäckten gjorde det möjligt att snabbt larma hela observationssamhället. Som ett resultat, mer än tjugo olika teleskop hade en djupare titt på målet. Detta gjorde det möjligt att fastställa detaljerna i den fysiska mekanismen som är ansvarig för de högsta energiutsläppen, som beskrivs i den andra uppsatsen ledd av MAGIC-samarbetet. Uppföljande observationer placerade GRB 190114C på ett avstånd av mer än fyra miljarder ljusår. Detta betyder, dess ljus färdades mer än fyra miljarder år till oss, eller ungefär en tredjedel av universums nuvarande ålder.

GRB 180720B, på ett avstånd av sex miljarder ljusår ännu längre bort, kunde fortfarande detekteras i gammastrålar vid energier mellan 100 och 440 miljarder elektronvolt långt efter den första sprängningen. "Förvånande, H.E.S.S. Teleskopet observerade ett överskott på 119 gammakvanta från skottets riktning mer än tio timmar efter att explosionen först sågs av satelliter, säger Stefan Ohm, chef för H.E.S.S. grupp på DESY.

"Detekteringen kom ganska oväntat, när gammastrålning skurar bleknar snabbt, lämnar efter sig ett eftersken som kan ses i timmar till dagar över många våglängder från radio till röntgenstrålar, men hade aldrig upptäckts i mycket högenergi-gammastrålar tidigare, ", tillägger DESY-teoretikern Andrew Taylor, som bidrog till H.E.S.S. analys. "Denna framgång beror också på en förbättrad uppföljningsstrategi där vi också koncentrerar oss på observationer vid senare tidpunkter efter själva stjärnkollapsen."

Detekteringen av gammastrålar vid mycket höga energier ger viktiga nya insikter om de gigantiska explosionerna. "Efter att ha fastställt att GRB producerar fotoner av energier hundratals miljarder gånger högre än synligt ljus, vi vet nu att GRB:er kan effektivt accelerera partiklar i explosionsutkastet, " säger DESY-forskaren Konstancja Satalecka, en av forskarna som koordinerar GRB-sökningar i MAGIC-samarbetet. "Vad mer, det visar sig att vi har saknat ungefär hälften av deras energibudget fram till nu. Våra mätningar visar att energin som frigörs i gammastrålar med mycket hög energi är jämförbar med den mängd som utstrålas vid alla lägre energier tillsammans. Det är anmärkningsvärt!"

Att förklara hur de observerade mycket högenergigammastrålar genereras är utmanande. Båda grupperna antar en process i två steg:För det första, snabba elektriskt laddade partiklar från explosionsmolnet avleds i de starka magnetfälten och avger så kallad synkrotronstrålning, som är av samma natur som den strålning som kan alstras i synkrotroner eller andra partikelacceleratorer på jorden, till exempel på DESY. Dock, endast under ganska extrema förhållanden skulle synkrotronfotonerna från explosionen kunna nå de mycket höga energier som observerades. Istället, forskarna överväger ett andra steg, där synkrotronfotonerna kolliderar med de snabba partiklarna som genererade dem, vilket ökar dem till de mycket höga gammastrålningsenergier som registrerats. Forskarna kallar det senare steget invers Compton-spridning.

"För första gången, de två instrumenten har mätt gammastrålning från gammastrålning från marken, ", avslutar Berge. "Dessa två banbrytande observationer har etablerat gammastrålningskurar som källor för terrestra gammastrålningteleskop. Detta har potential att avsevärt förbättra vår förståelse av dessa våldsamma fenomen." Forskarna uppskattar att upp till tio sådana händelser per år kan observeras med den planerade Cherenkov Telescope Array (CTA), nästa generations gammastrålningsobservatorium. CTA kommer att bestå av mer än 100 individuella teleskop av tre typer som kommer att byggas på två platser på norra och södra halvklotet. DESY ansvarar för konstruktionen av de medelstora teleskopen och kommer att vara värd för CTA:s Science Data Management Center på dess campus i Zeuthen. CTA-observationer förväntas starta tidigast 2023.