Demonstrasi terbaik dari ledakan kosmik yang luar biasa – tantangan yang menetapkan teori ledakan sinar gamma di alam semesta

Pancaran relativistik dari ledakan sinar gamma

Kesan seniman tentang pancaran sinar gamma relativistik (GRB), ledakan dari bintang yang runtuh, dan emisi foton berenergi tinggi. Kredit: DESY, Lab Komunikasi Sains

Pengamatan ini menantang teori ledakan sinar gamma yang sudah mapan di alam semesta.

Para ilmuwan telah mendapatkan pandangan terbaik tentang letusan paling terang di alam semesta: sebuah observatorium spesialis di Namibia telah mencatat radiasi paling energik dan aurora sinar gamma terpanjang dari apa yang disebut ledakan sinar gamma (GRB) hingga saat ini. Pengamatan menggunakan Sistem Stereoskopis Energi Tinggi (HESS) menantang gagasan yang sudah mapan tentang bagaimana sinar gamma diproduksi dalam ledakan bintang masif yang merupakan tangisan kelahiran lubang hitam, tim internasional melaporkan dalam jurnal tersebut. Ilmu.

“Ledakan sinar gamma adalah kilatan sinar-X terang dan sinar gamma yang diamati di langit, dan dipancarkan dari sumber yang jauh di luar galaksi,” jelas ini DESY Sylvia Chu, salah satu penulis makalah. Mereka adalah ledakan terbesar di alam semesta dan terkait dengan runtuhnya bintang masif yang berotasi cepat menjadi A Lubang hitam. Sebagian kecil dari energi gravitasi yang dilepaskan memicu produksi gelombang ledakan yang sangat penting. Emisinya dibagi menjadi dua fase berbeda: fase sesaat dan kacau yang berlangsung selama puluhan detik, diikuti oleh fase yang lama dan memudar dengan mulus.”

Pada 29 Agustus 2019, satelit Fermi dan Swift mendeteksi ledakan sinar gamma di konstelasi Eridanus. Peristiwa tersebut, yang diklasifikasikan sebagai GRB 190829A menurut tanggal kejadiannya, ternyata merupakan salah satu semburan sinar gamma terdekat yang teramati sejauh ini, dengan jarak sekitar satu miliar tahun cahaya. Sebagai perbandingan: ledakan sinar gamma yang khas berjarak sekitar 20 miliar tahun cahaya. “Kami benar-benar duduk di barisan depan ketika ledakan sinar gamma terjadi,” jelas rekan penulis Andrew Taylor dari DESY. Tim segera mengambil sisa-sisa cahaya ketika terlihat oleh teleskop HESS. “Kami mampu mengamati aurora berikutnya selama beberapa hari dan energi sinar gamma yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Taylor.

Jarak yang relatif pendek ke ledakan sinar gamma ini memungkinkan pengukuran terperinci dari spektrum cahaya yang tersisa, yang merupakan distribusi “warna” atau energi foton radiasi, dalam rentang energi yang sangat tinggi. “Kami dapat menentukan spektrum GRB 190829A hingga 3,3 TeV, sekitar satu triliun kali energi foton cahaya tampak,” jelas rekan penulis Edna Ruiz-Velasco dari Institut Max Planck untuk Fisika Nuklir di Heidelberg. . “Ini adalah hal yang sangat luar biasa tentang ledakan sinar gamma – itu terjadi di halaman belakang kosmik di mana foton berenergi sangat tinggi tidak diserap dalam tabrakan dengan cahaya latar dalam perjalanan mereka ke Bumi, seperti yang mereka lakukan pada jarak yang lebih jauh di alam semesta.”

Foton berenergi tinggi dari ledakan sinar gamma

Kesan seniman tentang foton berenergi tinggi dari ledakan sinar gamma yang memasuki atmosfer bumi dan dimulai dengan hujan udara yang direkam oleh teleskop High Energy Stereoscopic System (HESS) di Namibia. Kredit: DESY, Lab Komunikasi Sains

Tim dapat mengikuti aurora hingga tiga hari setelah ledakan awal. Hasilnya mengejutkan: “Pengamatan kami mengungkapkan kesamaan aneh antara sinar-X dan emisi sinar gamma energi tinggi dari aurora pasca-meledak,” menurut Chu. Teori-teori mapan mengandaikan bahwa dua elemen emisi harus diproduksi dengan mekanisme terpisah: komponen sinar-X berasal dari elektron ultracepat yang dibelokkan oleh medan magnet kuat di sekitar ledakan. Proses “sinkronisasi” ini sangat mirip dengan cara akselerator partikel di Bumi menghasilkan sinar-X terang untuk penyelidikan ilmiah.

Namun, menurut teori yang ada, tampaknya sangat tidak mungkin bahwa bahkan ledakan paling kuat di alam semesta dapat mempercepat elektron cukup untuk menghasilkan sinar gamma energi tinggi yang diamati secara langsung. Ini karena “batas pembakaran”, yang ditentukan oleh keseimbangan akselerasi dan pendinginan partikel di dalam akselerator. Produksi sinar gamma berenergi tinggi membutuhkan elektron dengan energi di luar batas pembakaran. Sebaliknya, teori saat ini mengandaikan bahwa dalam ledakan sinar gamma, elektron cepat bertabrakan dengan foton synchrotron dan dengan demikian mendorong mereka untuk berubah menjadi energi sinar gamma dalam proses yang disebut self-synchrotron Compton.

Sinar-X dari ledakan sinar gamma yang terdeteksi oleh satelit Swift NASA

Sinar-X dari ledakan sinar gamma terdeteksi oleh satelit Swift NASA di orbit Bumi. Sinar gamma berenergi tinggi memasuki atmosfer dan mulai menciptakan pancuran udara yang terdeteksi oleh teleskop HESS dari Bumi (kesan artis). Kredit: DESY, Lab Komunikasi Sains

Tetapi pengamatan dari sisa-sisa cahaya GRB 190829A sekarang menunjukkan bahwa kedua komponen, sinar-X dan sinar gamma, memudar secara sinkron. Juga, spektrum sinar gamma jelas cocok dengan ekstrapolasi spektrum sinar-X. Bersama-sama, hasil ini merupakan indikasi kuat bahwa sinar-X berenergi tinggi dan sinar gamma dalam pijaran cahaya ini dihasilkan oleh mekanisme yang sama. “Agak tidak terduga bahwa sifat spektral dan temporal yang sangat mirip akan diamati pada pita energi sinar gamma dan sinar-X berenergi sangat tinggi, jika emisi dalam dua pita energi ini memiliki asal yang berbeda,” kata rekan penulis Dmitry. Khangulyan. Universitas Rikkyo di Tokyo. Ini menimbulkan tantangan bagi asal sinkrotron intrinsik dari emisi sinar gamma energi tinggi.

Implikasi luas dari kemungkinan ini menyoroti perlunya studi lebih lanjut tentang emisi energi tinggi pasca-aurora dari GRB. GRB 190829A adalah ledakan sinar gamma keempat yang terdeteksi dari Bumi. Namun, letusan yang terdeteksi sebelumnya terjadi lebih jauh di alam semesta dan cahaya berikutnya hanya dapat diamati selama beberapa jam dan tidak untuk energi yang lebih besar dari 1 teraelectronvolt (TeV). “Ke depan, prospek untuk mendeteksi ledakan sinar gamma oleh instrumen generasi berikutnya seperti susunan teleskop Cherenkov yang saat ini sedang dibangun di Andes Chili dan di pulau Canary La Palma terlihat menjanjikan,” kata juru bicara HESS. Stefan Wagner dari Landessternwarte Heidelberg. “Kelimpahan umum semburan sinar gamma membuat kita mengharapkan deteksi reguler dalam kisaran energi yang sangat tinggi menjadi cukup umum, membantu kita untuk sepenuhnya memahami fisika mereka.”

Referensi: “Deteksi kesamaan temporal dan spektral dengan sinar-X dan sinar gamma di GRB 190829A yang berpijar” bekerja sama dengan HESS, 3 Juni 2021, Ilmu.
DOI: 10.1126 / sains.abe8560

Lebih dari 230 ilmuwan dari 41 institut di 15 negara (Namibia, Afrika Selatan, Jerman, Prancis, Inggris, Irlandia, Italia, Austria, Belanda, Polandia, Swedia, Armenia, Jepang, Cina, dan Australia), termasuk HESS International Kolaborasi, berkontribusi pada penelitian ini. HESS adalah sistem lima Teleskop Pencitraan Atmosfer Cherenkov yang menyelidiki sinar gamma kosmik. Nama HESS adalah singkatan dari High Energy Stereoscopic System, dan juga dimaksudkan untuk menghormati Victor Franz Hess, yang dianugerahi Hadiah Nobel Fisika 1936 untuk penemuan radiasi kosmiknya. HESS terletak di Namibia, dekat Gunung Gamsberg, daerah yang terkenal dengan kualitas visualnya yang luar biasa. Empat teleskop HESS mulai beroperasi pada 2002/03, teleskop kelima yang jauh lebih besar – HESS II – beroperasi sejak Juli 2012, memperluas cakupan daya ke energi yang lebih rendah dan meningkatkan sensitivitas. Pada tahun 2015-2016, kamera dari empat teleskop HESS pertama telah sepenuhnya diperbarui dengan elektronik terbaru dan khususnya, chip pembacaan NECTAr yang dirancang untuk eksperimen besar berikutnya di lapangan, Cherenkov Telescope Array (CTA), di mana DESY akan menjadi tuan rumah Pusat Manajemen Ilmu Data di situs Zeuthen sendiri.

DESY adalah salah satu pusat akselerator partikel terkemuka di dunia dan menyelidiki struktur dan fungsi materi – dari interaksi partikel elementer kecil dan perilaku bahan nano baru dan biomolekul vital hingga misteri besar alam semesta. Akselerator dan detektor partikel yang dikembangkan dan dibuat oleh DESY di lokasinya di Hamburg dan Zeuthen adalah alat penelitian yang unik. Mereka menghasilkan sinar-X paling intens di dunia, mempercepat partikel untuk merekam energi dan membuka jendela baru di alam semesta. DESY adalah anggota Asosiasi Helmholtz, masyarakat ilmiah terbesar di Jerman, dan menerima dana dari Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) (90 persen) dan negara bagian federal Jerman Hamburg dan Brandenburg (10 persen).

We will be happy to hear your thoughts

Leave a reply

Media SUMSELGO