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From Nature Astronomy:
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The paper will be published on Monday, October 21, 2019 @ 16:00 (London time) at which time the embargo lifts.. Please respect the embargo policy.
English PR version
From the time of their discovery, gamma-ray bursts have been shrouded in mystery. The most energetic/bright electromagnetic explosions in the Universe were only discovered by mistake via military satellites. The Universe was hiding one of its most vibrant firework displays by playing a trick on our limited optical seeing eyes. Yet, as scientists designed more sophisticated instruments to hunt down these massive explosions, more mysteries evolved. To start, what disastrous event could turn more than the entire mass of the sun into pure radiation in a matter of seconds or minutes? Moreover, the spectrum of the emission, or how all the colors in the gamma-ray rainbow where distributed did not appear to match any of the reasonable mechanisms that scientists could come up with. The spectra did not appear to be produced a hot photosphere like our sun, where hot, thermal light finally escapes the grasp of a dense, fast-moving gas. Similarly, the emission didn’t seem to be produced when diffuse clouds of gas spewed out from a giant dying star, slammed into each other at nearly the speed of light, causing the particles (electrons) in the gas to thrown to even higher speeds, only to one slowed down with the magnetic field in the gas grabbed them and forced them back to normal speeds. But as if to tell the Universe how fast they were traveling, as the magnetic field grasps these electrons, they begin to spin and throw out photons in a form of radiation called synchrotron.
Twenty years ago, when computers were slower, researchers used simple tests to see if this gamma-ray radiation looked like synchrotron. These tests checked if various shapes, similar to synchrotron (but not the shape of synchrotron itself) resembled this synchrotron “rainbow”, death cry from the electrons, then researchers would claim that in fact, the emission was not produced from this process. Many researchers agreed that these various shapes looked nothing like synchrotron. This left scientists with a conundrum. The most plausible ways to make this bright light did not seem to match with the data.
As computers are now faster, and methods for looking at the data from satellites are more advanced, we decided that instead of only looking at the shapes similar to the gamma-ray rainbow, we would make these rainbows in our computer and with simulations and compare all the properties of the rainbow directly to the data. We found that, yes, these rainbows were from the magnetic field forcing electrons to slow or cool down after they had been so violently pushed to high speeds.
Now, we are faced with new questions. While we have a better idea of what type of radiation is being emitted, we still need to understand how so much radiation can be emitted in so little time. In order to cause all of the electrons to be heated up so quickly, and radiate so brightly, it seems that a great fine-tuning of certain processes must be at work. Thus, scientists have more work to do to understand these new results.
Synchrotron radiation is named after the machines used by scientists on Earth to push electrons to high speeds with magnetic fields. By making electrons fly around in circles in the magnetic fields, the electrons go faster and faster and emit the light that we now think we are seeing from these violent explosions on the other side of the Universe.
German PR version
Seit ihrer ersten Entdeckung sind Gamma-Ray Bursts geheimnisumwoben. Diese energiereichsten, elektromagnetisch strahlenden Explosionen des Universums wurden nur durch Zufall von einem Militärsatelliten entdeckt. Indem es unseren auf das optische Spektrum beschränkten Augen einen Streich spielte, hielt das Universum bis dahin seine am hellsten leuchtenden Feuerwerke vor uns versteckt. Als Wissenschaftler jedoch immer bessere Instrumente zur Entdeckung dieser riesigen Explosionen entwickelten, kamen weitere Mysterien zutage. Angefangen mit der Frage, welches unglaubliche Ereignis es schaffen könnte, innerhalb weniger Minuten oder gar Sekunden mehr als eine gesamte Sonnenmasse in pure Strahlung zu verwandeln. Oder die Tatsache, dass das Emissionsspektrum, also die Verteilung der Farben in dem Gamma-Strahlen-Spektrum, physikalisch unerklärlich war. Das Spektrum schien nicht, wie bei unserer Sonne, durch eine heiße Photosphäre zu entstehen, wo thermisch erzeugtes Licht dem festen Griff eines dichten, schnell bewegten Gases entkommt. Auch schien die Emission nicht zu entstehen, wenn diffuse Gaswolken, die aus einem massereichen, sterbenden Stern herausgeschleudert werden, mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander treffen. Dies beschleunigt die im Gas enthaltenen Elektronen auf noch höhere Geschwindigkeiten, sodass sie nur von dem Magnetfeld des Gases zurück auf Normalgeschwindigkeiten abgebremst werden können. Aber, fast wie um zu beweisen, wie schnell sie sich bewegen, beginnen die Elektronen, sobald sie von dem Magnetfeld abgebremst werden, um die Magnetfeldlinien zu spiralen und Photonen als sog. Synchrotronstrahlung von sich zu schleudern.
Vor zwanzig Jahren, als Computer noch langsamer waren, benutzten die Forscher einfache Tests, um herauszufinden, ob die Gamma-Strahlung wie eine Synchrotonstrahlung aussah. Diese Tests untersuchten, ob verschiedene mathematisch einfache Intensitätsverläufe der Strahlung, ähnlich der der Synchrotonstrahlung (aber nicht exakt gleich), dem Synchroton-Spektrum, dem ‘Todesschrei’ der Elektronen, ähnelten. Allerdings waren sich die Wissenschaftler einig, dass die unterschiedlichen Verläufe der Synchrotonstrahlung in keiner Weise ähnlich sahen, und demnach die Strahlung nicht bei diesem Prozess erzeugt werden konnte. Dies ließ die Wissenschaftler vor einem offenen Rätsel zurück. Die logischste Erklärung für die Ursache dieser hellen Strahlung passte nicht zu ihren Daten.
Heute, wo Computer wesentlich schneller sind und die Methoden, Daten durch Satelliten zu gewinnen, fortgeschritten sind, haben wir uns entschlossen, anstatt nur auf die mathematisch einfachen Verläufe ähnlich des Gamma-Ray-Spektrums zu schauen, ebendiese Spektren mit aufwändigeren Simulationen an unseren Computern zu erschaffen und ihre Eigenschaften direkt mit unseren Daten zu vergleichen. Wir haben herausgefunden, dass diese Spektren tatsächlich von den magnetischen Feldern stammen, welche die Elektronen dazu bringen, langsamer zu werden und abzukühlen, nachdem sie auf solch hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wurden.
Die Synchrotronstrahlung ist benannt nach den Maschinen, die die Wissenschaftler auf der Erde benutzen, um Elektronen mithilfe von Magnetfeldern auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Indem sie Elektronen in Kreisen durch das Magnetfeld fliegen lassen, werden die Elektronen schneller und schneller und geben hochenergetisches Licht ab, von dem wir heute annehmen, dass es dasselbe ist, wie das, welches wir bei diesen gewaltigen Explosionen im fernen Universum sehen. Bei Gamma-Ray-Bursts bewegen sich die Elektronen nicht auf einer Kreisbahn, sondern spiralförmig um das Magnetfeld, welches in dem turbulenten Prozess des Abbremsens entsteht.
Nun stellen sich uns allerdings neue Fragen: Während wir jetzt eine genaue Vorstellung von der Art der emittierten Strahlung haben, müssen wir immer noch verstehen, wie so viel Strahlung in so kurzer Zeit emittiert werden kann. Um alle Elektronen so schnell zu erhitzen, damit sie so hell strahlen, müssten riesige, genau aufeinander abgestimmte Prozesse ablaufen. Folglich haben Wissenschaftler weitere intensive Arbeit vor sich, um diese neuen Ergebnisse zu verstehen.
Nature Astronomy Behind The Paper
The English version of this post can be found here. The German translation is below:
Der Versuch, die auftretenden physikalischen Emissionsprozesse bei einem Gammastrahlenblitz (engl. Gamma-ray burst oder kurz GRB) zu verstehen, war und ist immer noch eine aufregende Geschichte. Im Gegensatz zu vielen hoch-energetischen astrophysikalischen Quellen treten GRBs nur einmal auf und sind in der Regel nach ein paar Sekunden Gamma-Emission wieder vorüber. Auch sind viele mathematische Kunststücke notwendig, um die Daten der von uns verwendeten Instrumente in ein brauchbares Format umzuwandeln. Was auch immer diese Emission verursacht, wahrscheinlich entsteht sie unter viel extremeren physikalischen Umständen als bei den Quellen, die wir sonst untersuchen. Ein Strahl (Jet) geht von einem katastrophalen stellarem Ereignis aus: dem Tod eines massereichen Sterns. Die Kräfte dieses Todes beschleunigen den Jet auf Geschwindigkeiten, die nur knapp unter der Lichtgeschwindigkeit liegen. Magnetfelder biegen sich, drehen sich und verbinden sich vielleicht neu. Elektronen werden auf hohe Geschwindigkeiten katapultiert, strahlen, wirken auf einander ein, wirbeln umher…in einem Wort: flippen komplett aus! All dies führt zu einem kurzen Blitz aus Gammastrahlen, energetisch verteilt in einem Spektrum, das wir benutzen, um daraus die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse herauszufinden. Vergleichend könnte man sich vorstellen, man würde die Erde von einem weit entfernten Stern beobachten und nur aus dem durch das Teleskop beobachteten blauen Licht versuchen, das aktuelle politische Klima zu verstehen.
Selbstverständlich bestand die erste Vorgehensweise, um diese Signale zu entschlüsseln, darin, einfach zu versuchen die beste Intensitätsverteilung des Spektrums zu erhalten, welches wir mit unseren Gamma-Telesokpen beobachteten. Einfach genug? Nun ja, Gamma-Spektrometer (die Instrumente, die wir nutzen, um die Verteilung der Energie in einem Gamma-Spektrum zu messen) haben ein kleines Problem: Da wir keine Filter für die verschiedenen Energien verwenden können, um die Menge an Licht bei verschiedenen Energien zu messen, wie wir es bei sichtbarem Licht tun, verwenden wir sog. Szintillatoren - und diese Detektoren prägen ihre eigenen Eigenschaften auf die beobachteten Daten. Erinnern wir uns an all die Prozesse, die in dem GRB Jet selbst vonstatten gehen? Fast genauso viele passieren in dem Detektor, in dem eintreffende Gamma-Strahlen gemessen werden. Dies beschreiben Wissenschaftler mit der sog. ‘Detektor Response’, welche den wahren eintreffenden Verlauf des Spektrums in den Verlauf umwandelt, den wir in den Daten sehen, nachdem die Photonen vom Detektor absorbiert wurden. Die unten stehende Abbildung verdeutlicht diesen Prozess. Das Problem liegt darin, dass wir diese Response (oder Ansprechverhalten) mathematisch nicht umkehren können. Das heißt, wir können nicht einfach die Daten nehmen und mit der Response zurückrechnen und somit sehen, wie das Gamma-Spektrum aussieht. Stattdessen müssen wir eine begründete Vermutung zu der Form des Spektrums aufstellen, und es mit der Detektor Response umrechnen, zu einem Verlauf, welche nun auch die Detektoreigenschaften enthält. Diese neue Verteilung muss nun mithilfe von präzisen statistischen Methoden mit den beobachteten Daten verglichen werden. Wiederholen wir diesen Prozess einige Male, finden wir eine Kurve, die sehr nach unseren Daten ausschaut. Heureka! Wir haben sie gefunden! …zumindest fast.
Als Start-Kurve eignet sich eine mathematische Funktion, welche keinerlei Verbindung zur Physik aufweist. Diese empirische Funktion kann sich verändern, wenn ihre Parameter verändert werden. Dies iterieren wir solange, bis sie näherungsweise die Daten wiedergibt. Anschließend kann man sich überlegen, welche Eigenschaften (oder Parameter) dieser empirischen Funktion am genauesten den Kurven entsprechen, welche bei tatsächlichen physikalischen Prozessen entstehen. So ist die GRB Forschung in den letzten 30 Jahren vorgegangen. Zwei der meist angenommenen Emissions-Modelle waren die optisch dünne Synchrotronstrahlung (siehe unten) und die photosphärische Emission, die von einem heißen Feuerball kommt, welcher all seine Energie verliert, soald das Gas im Jet dünn genug wird, um durchsichtig zu sein. Durch das Anpassen empirischer Funktionen an die Daten konnten Forscher diese Annahmen der Emissions-Prozesse testen und damit feststellen, welcher dieser Prozesse die beobachtete Emission hervorrief. Dies ließ den Schluss zu, dass die beobachtete Strahlung höchstwahrscheinlich keine Synchrotronstrahlung ist, da die Kurven nicht zu den Kurven des Synchrotron-Prozesses passten.
Synchrotronstrahlung entsteht, wenn relativistische Elektronen um magnetische Feldlinien kreisen. Während sie emittieren, verlieren sie Energie. In GRB Jets verteilen diese Elektronen die ihnen gegebene Energie durch Schocks oder magnetische Wiedervereinigung innerhalb des turbulenten Ausflusses. Die Elektronen sind anfangs sehr heiß, und kühlen dann durch die Synchrotronstrahlung ab. Dieser Prozess hinterlässt gut erkennbare Signaturen in dem Verlauf des Emissionsspektrums, was gut und einfach beobachtbar wäre. Wenn die Synchrotronstrahlung jedoch unwichtig ist, wie wir aus den empirische Funktionen abgeleitet haben: warum haben wir also weiterhin danach gesucht? Das Problem liegt darin, dass in der Vergangenheit der Prozess des Berechnen der Daten mithilfe der empirischen Funktionen und der Detektor Response einen Beobachter auf ebendiese empirischen Funktionen eingeschränkt hat. Wenn diese Kurven nicht flexibel genug sind, um den Verlauf des physikalischen Emissions-Prozesses wiederzugeben, würde ein Beobachter diesen Prozess fälschlicherweise ausschließen. Daher entschieden wir uns, eine Software zu schreiben, welche diese Synchrotron-Emission der abkühlenden Elektronen simulieren würde, und dann diese direkt mit der Detektor Response verrechnen würde. So konnten wir die Verwendung empirischer Formen vermeiden, und stattdessen diese Synchrotron-Modelle direkt mit den Daten vergleichen.
Nachdem wir einige GRBs mit bekannter Entfernung und einfachen zeitlichen Verläufen ausgesucht haben, reduzierte unsere Gast-Masterstudentin Ana Bacelj die Rohdaten auf mehrere, zeitlich aufeinanderfolgende Spektren pro GRB, welche wir dann benutzten, um die gigantische Analyse aller Daten auf ein Mal durchzuführen. Anschließend nutzten wir Bayesische Analyse, um mithilfe einer Software namens 3ML, bei deren Entwicklung wir mithalfen, ungefähr 200 beobachtete Gamma-Ray-Burst-Spektren anzupassen. Während diese Rechnungen ein paar Wochen auf unserem lokalen Computer-Cluster Necromancer berechnet wurden (fast alle unsere Computer haben Namen aus dem Tolkien Universum), haben wir uns Wege überlegt, die Ergebnisse dieser Fits zu nutzen, um etwas mehr über die beobachteten Jets zu erfahren, sollten die Fits funktionieren. Diese Berechnungen liefen während des heißen Münchner Sommers,in dem Damien und ich die wunderschönen, lokalen Biergärten genossen. Als die Fits fertig waren, mussten wir zu unserer Überraschung herausfinden, dass fast alle zur Synchrotronstrahlung passten. Und mehr noch: viele dieser erfolgreichen Durchläufe wären in der Vergangenheit durch Analyse mit empirischen Formen ausgeschlossen worden! Das war ein sehr aufregender Moment, und die Arbeit schritt von dort an schnell voran. Obwohl die Daten aller dieser GRBs mit der Synchrotronstrahlung übereinstimmen, stellen sich sofort weitere Fragen. Wir wissen z.B. immer noch nicht, wie so viel Energie in so kurzer Zeit aus einem sterbenden Stern herausgezogen werden kann, sodass es den Rest des Universums trotz der großen Entfernung mit Gamma-Strahlen überstrahlt. Solche Fragen werden wir in den nächsten Jahren erforschen.
Was man aber auch über unsere Arbeit wissen sollte: sie testet nur ein Modell. Wir müssen weitere Modelle testen. Da die Berechnungen anderer, komplizierterer Modelle am Computer viel Zeit benötigen, befinden wir uns erst am Anfang einer neuen Ära in der Erforschung der GRB-Spektren. Zusätzlich probierten wir einige lustige und präzise Datenanalyse-Techniken, welche unsere Ergebnisse sehr robust machen. Wir hoffen, dass diese Techniken zukünftiger Forschung als Inspiration dienen. Die ganze Arbeit war nur möglich in einer engagierten Gruppe von Forschern, die sich dafür interessierte, welche Geheimnisse in unseren Daten stecken.
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