Ein internationales Team, einschließlich Wissenschaftlern der Universität Genf (UNIGE), kam zu dem Schluss, dass es sich um einen extragalaktischen Ausbruch von einem Magnetar handeln muss, einem jungen Neutronenstern mit einem außergewöhnlich starken Magnetfeld. Diese Entdeckung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
© ESA
Am 15. November 2023 erfasste der INTEGRAL-Satellit der ESA eine plötzliche Explosion eines seltenen Objekts. Für nur einen Zehntel einer Sekunde erschien eine kurze Explosion energetischer Gammastrahlen am Himmel.
"Die Daten des Satelliten wurden vom wissenschaftlichen Datenzentrum von INTEGRAL (ISDC), das sich auf dem Ecogia-Gelände des Astronomie-Departments der UNIGE befindet, empfangen, wo ein Gammastrahlungsalarm an Astronomen weltweit gesendet wurde, nur 13 Sekunden nach der Entdeckung", erklärt Carlo Ferrigno, Wissenschaftsmitarbeiter am Astronomie-Department der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE, Leiter des ISDC und Mitautor der Veröffentlichung.
Die IBAS-Software (Integral Burst Alert System) lieferte eine automatische Lokalisierung, die mit der Galaxie M82 übereinstimmte, 12 Millionen Lichtjahre entfernt. Dieses Alarmsystem wurde von Wissenschaftlern und Ingenieuren der UNIGE in Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen entwickelt und betrieben.
Ein kurioses Signal aus einer benachbarten Galaxie
"Wir erkannten sofort, dass es sich um einen besonderen Alarm handelte. Gammastrahlenausbrüche können aus sehr entfernten Regionen und von jedem Punkt am Himmel kommen, aber dieser Ausbruch kam von einer nahen, hellen Galaxie", erklärt Sandro Mereghetti vom Nationalen Institut für Astrophysik (INAF-IASF) in Mailand, Italien, Hauptautor der Veröffentlichung und Mitarbeiter von IBAS.
Das Team forderte sofort eine Nachbeobachtung des Ausbruchsorts durch das Weltraumteleskop XMM-Newton der ESA an. Wäre es ein kurzlebiger Gammastrahlenausbruch gewesen, verursacht durch die Kollision zweier Neutronensterne, hätte die Kollision Gravitationswellen und ein Nachleuchten in Röntgenstrahlen und sichtbarem Licht erzeugt.
Jedoch zeigten die Beobachtungen von XMM-Newton lediglich das heiße Gas und die Sterne der Galaxie. Mit optischen Teleskopen auf der Erde, darunter das italienische Teleskop Galileo und das französische Observatorium in Haute-Provence, suchte das Team auch nach einem sichtbaren Lichtsignal, nur wenige Stunden nach der Explosion, aber wieder wurde nichts entdeckt. In Ermangelung eines Signals in Röntgenstrahlen und sichtbarem Licht sowie fehlender messbarer Gravitationswellen durch die Erdendetektoren (LIGO/VIRGO/KAGRA), ist die sicherste Erklärung, dass das Signal von einem Magnetar stammte.
Magnetare: Mega-magnetische Sterne, die kürzlich gestorben sind
"Wenn Sterne, die mehr als achtmal so massereich wie die Sonne sind, sterben, explodieren sie in einer Supernova und hinterlassen ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern. Neutronensterne sind sehr kompakte stellare Überreste, deren Masse die der Sonne übertrifft und die in eine Kugel von der Größe des Kantons Genf gepresst sind. Sie drehen sich schnell und haben starke Magnetfelder", erklärt Volodymyr Savchenko, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Astronomie-Department der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Mitautor der Veröffentlichung.
Einige junge Neutronensterne haben sehr starke Magnetfelder, mehr als 10.000 Mal stärker als die typischer Neutronensterne. Diese Sterne werden "Magnetare" genannt. Sie emittieren Energie in Form von Ausbrüchen, manchmal gigantischen.
In den letzten 50 Jahren der Gammastrahlenbeobachtung wurden jedoch nur drei riesige Ausbrüche als von Magnetaren unserer Galaxie stammend identifiziert. Diese Ausbrüche sind sehr kraftvoll: einer davon, der im Dezember 2004 entdeckt wurde, ereignete sich 30.000 Lichtjahre von unserer Erde entfernt, war jedoch so stark, dass er die oberen Schichten unserer Atmosphäre beeinflusste, ähnlich wie Sonneneruptionen, die von viel näheren Regionen ausgehen.
Die Erkennung wurde an das wissenschaftliche Datenzentrum von INTEGRAL an der UNIGE gesendet, wo eine Software feststellte, dass sie von der benachbarten Galaxie M82 stammte. Das kleine Quadrat auf der Karte von INTEGRAL zeigt den Ort der Explosion. Der blaue Kreis auf den beiden Ausschnittsbildern zeigt den entsprechenden Ort an.
© ESA/Integral, ESA/XMM-Newton, INAF/TNG, M. Rigoselli (INAF)
Der von INTEGRAL entdeckte Ausbruch ist die erste feste Bestätigung einer Magnetareruption außerhalb der Milchstraße. M82 ist eine leuchtstarke Galaxie, reich an Sternenentstehungsgebieten. In diesen Regionen werden massereiche Sterne geboren, leben ein kurzes, turbulentes Leben und hinterlassen einen Neutronenstern. "Die Entdeckung eines Magnetars in dieser Region bestätigt, dass Magnetare wahrscheinlich junge Neutronensterne sind", fügt Volodymyr Savchenko hinzu.
Die Suche nach weiteren Magnetaren wird in anderen extragalaktischen Sternentstehungsregionen fortgesetzt, um diese außergewöhnlichen astronomischen Objekte besser zu verstehen. Wenn Astronomen viele weitere finden, könnten sie beginnen zu verstehen, wie häufig diese Ausbrüche sind und wie Neutronensterne im Laufe dieses Prozesses Energie verlieren.
INTEGRAL, ein Schlüsselinstrument im Wettlauf gegen die Zeit
Ausbrüche von solch kurzer Dauer können nur zufällig erfasst werden, wenn ein Beobachtungsinstrument bereits in die richtige Richtung ausgerichtet ist. Deshalb ist INTEGRAL mit seinem weiten Blickfeld, das 3.000 Mal größer ist als die Fläche des Himmels, die vom Mond bedeckt wird, so wichtig für diese Entdeckungen.
Carlo Ferrigno erklärt: "Unser automatisches Datenverarbeitungssystem ist sehr zuverlässig und ermöglicht es uns, die Gemeinschaft sofort zu alarmieren". Wenn unerwartete Beobachtungen wie diese gemacht werden, können INTEGRAL und XMM-Newton in ihren Programmen flexibel sein, was entscheidend für Entdeckungen ist, bei denen Zeit eine entscheidende Rolle spielt.
In diesem Fall hätten die Beobachtungen, wären sie nur einen Tag später durchgeführt worden, keine so soliden Beweise geliefert, dass es sich tatsächlich um einen Magnetar und nicht um einen gewöhnlichen Gammastrahlenausbruch handelte.