Forskare har fått den bästa överblicken hittills av de ljusaste explosionerna i universum:Ett specialiserat observatorium i Namibia har registrerat den mest energiska strålningen och den längsta gammastrålningen av en så kallad gammastrålning (GRB) hittills. Observationerna med High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) utmanar den etablerade idén om hur gammastrålar produceras i dessa kolossala stjärnexplosioner som är svarta håls födelseskrik, som det internationella laget rapporterar i tidskriften Vetenskap .

"Gammastrålningskurar är ljusa röntgen- och gammablixtar som observeras på himlen, emitteras av avlägsna extragalaktiska källor, " förklarar DESY-forskaren Sylvia Zhu, en av författarna till tidningen. "De är de största explosionerna i universum och förknippade med kollapsen av en snabbt roterande massiv stjärna till ett svart hål. En bråkdel av den frigjorda gravitationsenergin matar produktionen av en ultrarelativistisk sprängvåg. Deras utsläpp är uppdelad i två distinkta faser:en första kaotisk promptfas som varar i tiotals sekunder, följt av en långvarig, mjukt blekande efterglödsfas."

Den 29 augusti 2019 upptäckte satelliterna Fermi och Swift en gammastrålning i stjärnbilden Eridanus. Händelsen, katalogiserad som GRB 190829A enligt dess inträffandedatum, visade sig vara en av de närmaste gammastrålningsskurar som hittills observerats, med ett avstånd på cirka en miljard ljusår. Som jämförelse:Den typiska gammastrålningen är cirka 20 miljarder ljusår bort. "Vi satt verkligen på första raden när denna gammastrålning hände, " förklarar medförfattaren Andrew Taylor från DESY. Teamet fångade explosionens efterglöd direkt när den blev synlig för H.E.S.S.-teleskopen. "Vi kunde observera efterglödningen i flera dagar och till oöverträffade gammastrålningsenergier, " rapporterar Taylor.

Det jämförelsevis korta avståndet till denna gammastrålning möjliggjorde detaljerade mätningar av efterglödens spektrum, vilket är fördelningen av "färger, " eller fotonenergier, av strålningen i det mycket höga energiområdet. "Vi kunde bestämma GRB 190829A:s spektrum upp till en energi på 3,3 tera-elektronvolt, det är ungefär en biljon gånger så energiskt som fotoner av synligt ljus, " förklarar medförfattaren Edna Ruiz-Velasco från Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg. "Detta är det som är så exceptionellt med denna gammastrålning - det hände på vår kosmiska bakgård där fotonerna med mycket hög energi inte absorberades i kollisioner med bakgrundsljus på väg till jorden, som det händer över större avstånd i kosmos."

Teamet kunde följa efterglöden upp till tre dagar efter den första explosionen. Resultatet kom som en överraskning:"Våra observationer avslöjade märkliga likheter mellan röntgenstrålning och mycket högenergi gammastrålning av explosionens efterglöd, " rapporterar Zhu. Etablerade teorier antar att de två emissionskomponenterna måste produceras av separata mekanismer:röntgenkomponenten härrör från ultrasnabba elektroner som avböjs i de starka magnetfälten i skurens omgivning. Denna "synkrotron"-process är ganska liknande hur partikelacceleratorer på jorden producerar ljusa röntgenstrålar för vetenskapliga undersökningar.

Dock, enligt existerande teorier verkade det mycket osannolikt att även de mest kraftfulla explosioner i universum skulle kunna accelerera elektroner tillräckligt för att direkt producera de observerade mycket högenergiska gammastrålarna. Detta beror på en "avbränningsgräns, " som bestäms av balansen mellan acceleration och kylning av partiklar i en accelerator. För att producera gammastrålar med mycket hög energi krävs elektroner med energier långt över avbränningsgränsen. Istället, nuvarande teorier antar att i en gammastrålning, snabba elektroner kolliderar med synkrotronfotoner och ökar dem därigenom till gammastrålningsenergier i en process som kallas synkrotronsjälvCompton.

Men observationerna av GRB 190829A:s efterglöd visar nu att båda komponenterna, röntgen och gammastrålning, bleknat i synk. Också, gammastrålningsspektrumet matchade tydligt en extrapolering av röntgenspektrumet. Tillsammans, dessa resultat är en stark indikation på att röntgenstrålar och mycket högenergi-gammastrålar i denna efterglöd producerades av samma mekanism. "Det är ganska oväntat att observera sådana anmärkningsvärt lika spektrala och tidsmässiga egenskaper i röntgenstrålnings- och mycket högenergi-gammastrålningsenergibanden, om emissionen i dessa två energiområden hade olika ursprung, " säger medförfattaren Dmitry Khangulyan från Rikkyo University i Tokyo. Detta utgör en utmaning för synkrotronens själv-Compton ursprunget för den mycket höga energigammastrålningen.

Den långtgående innebörden av denna möjlighet belyser behovet av ytterligare studier av mycket högenergi-GRB-efterglödemission. GRB 190829A är bara den fjärde gammastrålningen som detekteras från marken. Dock, de tidigare upptäckta explosionerna inträffade mycket längre bort i kosmos och deras efterglöd kunde bara observeras under några timmar var och inte till energier över 1 tera-elektronvolt (TeV). "När man ser på framtiden, utsikterna för detektering av gammastrålning med nästa generations instrument som Cherenkov Telescope Array som för närvarande byggs i de chilenska Anderna och på kanarieön La Palma ser lovande ut, " säger H.E.S.S. talesperson Stefan Wagner från Landessternwarte Heidelberg. "Det allmänna överflöd av gammastrålning får oss att förvänta oss att regelbundna upptäckter i bandet med mycket hög energi kommer att bli ganska vanliga, hjälper oss att till fullo förstå deras fysik."