In het hele universum, op ongeveer 7,5 miljard lichtjaar afstand, heeft een stervende ster enkele van de meest energiezuinige lichtastronomen vrijgegeven die ze ooit hebben gezien. En deze lichtdeeltjes, of fotonen, helpen astronomen te begrijpen hoe deze deeltjes worden versterkt tot zulke extreme energieën.
De astronomen vonden de ultrahoge-energiefotonen terwijl ze naar een gebeurtenis keken die een gammastraaluitbarsting of GRB werd genoemd. Aangenomen wordt dat ze het gevolg zijn van de botsing van neutronensterren of het instorten van een massieve ster, maar plotseling verschijnen gammaflitsen, soms slechts voor een fractie van een seconde. Een van deze vluchtige uitbarstingen kan meer energie afgeven dan de zon gedurende haar hele leven zou genereren. Deze gebeurtenissen zijn moeilijk te vangen, maar een nagloed volgt de uitbarsting. Het licht van de nagloeiing is zwakker maar gaat langer mee, waardoor astronomen het in detail kunnen meten.
Op 14 januari 2019 werd zo'n gammaflits, genaamd GRB 190114C, ontdekt door twee ruimtetelescopen via een geautomatiseerd systeem. Binnen 22 seconden stuurden astronomen op aarde hun telescopen op de grond om de nagloeiing na de gebeurtenis te meten.
"We zijn al meer dan 20 jaar op zoek", zegt Razmik Mirzoyan, de woordvoerder van de Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) samenwerking en co-auteur van de nieuwe studie, vertelde WordsSideKick.com. Dat ze deze konden vinden, zei Mirzoyan, 'was niet alleen maar geluk, het is gewoon volharding.'
In astronomische termen was de gebeurtenis relatief dichtbij, waardoor astronomen de nagloeiing over een groot aantal golflengten konden meten. De komende 10 dagen verzamelden de wetenschappers gegevens van zes satellieten en 15 telescopen op de grond die straling detecteerden in golflengten variërend van radio tot ultraviolet licht.
Bij het analyseren van de metingen van de eerste tientallen seconden na de burst, vonden astronomen fotonen met energieën van biljoenen elektronvolt - dat is biljoenen keer de energie van de typische fotonen die van de zon komen.
Hoewel fotonen met energieën van meer dan 1 biljoen elektronvolt zijn gedetecteerd vóór andere astrofysische bronnen zoals supernova-resten, was er geen bekend dat ze afkomstig waren van een GRB.
De gegevens met meerdere golflengten hielpen de astronomen om vast te stellen hoe de deeltjes werden bekrachtigd. Fotonen met een lagere energie waren vrijgegeven door deeltjes die rond magnetische velden draaiden in een proces dat bekend staat als synchrotronstraling. Daarentegen werden de recordbrekende fotonen met ultrahoge energie versneld door botsingen met hoogenergetische elektronen - een variatie op een mechanisme dat wetenschappers inverse-Compton-verstrooiing noemen. De bevindingen bevestigen theorieën over GRB's en helpen astronomen de fysica van deze bizarre uitbarstingen te begrijpen.
"Na meer dan 50 jaar sinds de eerste ontdekking van GRB's, blijven veel van hun fundamentele aspecten nog steeds mysterieus", zei Mirzoyan in een verklaring. "De ontdekking van gammastraling-emissie van GRB 190114C ... laat zien dat de GRB-explosies nog krachtiger zijn dan eerder werd gedacht."
Terwijl astronomen al lang op zoek waren naar dergelijke ultrahoge-energetische fotonen, was GRB 190114C geen zeldzame gebeurtenis - slechts een die moeilijk te vangen is. Dankzij telescopen zoals MAGIC en het High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), die zijn ontworpen om ultrahoge energie gammastraling te detecteren, en geautomatiseerde systemen voor het detecteren van initiële GRB's, verwachten wetenschappers in de toekomst meer van dergelijke ultrahoge energie fotonen te vangen.
"We gaan een nieuw tijdperk in van het ontdekken van fotonen met ultrahoge energie", vertelde Bing Zhang, een astrofysicus aan de Universiteit van Nevada, Las Vegas, die niet betrokken was bij de nieuwe studie, WordsSideKick.com in een e-mail. "Aangezien in het energierijke regime rijke fysica wordt verwacht, zullen deze waarnemingen de komende jaren zeker voor opwinding zorgen."
De nieuwe resultaten zijn op 20 november gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
