Tampilan Baris Depan Mengungkapkan Ledakan Kosmik yang Luar Biasa

Para ilmuwan telah memperoleh pandangan terbaik dari ledakan paling terang di alam semesta: Sebuah observatorium khusus di Namibia telah mencatat radiasi paling energik dan sinar gamma terpanjang dari apa yang disebut ledakan sinar gamma (GRB) hingga saat ini. 

Pengamatan dengan Sistem Stereoskopis Energi Tinggi (HESS) menantang gagasan yang sudah mapan tentang bagaimana sinar gamma diproduksi dalam ledakan bintang kolosal yang merupakan tangisan kelahiran lubang hitam, seperti yang dilaporkan tim internasional dalam jurnal Science.

Gambar: scitechdaily.com

"Ledakan sinar gamma adalah sinar-X terang dan kilatan sinar gamma yang diamati di langit, dipancarkan oleh sumber ekstragalaksi yang jauh," jelas ilmuwan DESY Sylvia Zhu, salah satu penulis makalah tersebut. "Mereka adalah ledakan terbesar di alam semesta dan terkait dengan runtuhnya bintang masif yang berputar cepat ke lubang hitam. Sebagian kecil dari energi gravitasi yang dibebaskan memberi makan produksi gelombang ledakan ultrarelativistik. Emisinya dibagi menjadi dua fase berbeda: fase awal yang kacau dan berlangsung selama puluhan detik, diikuti oleh fase afterglow yang tahan lama dan memudar dengan mulus."

Pada 29 Agustus 2019 satelit Fermi dan Swift mendeteksi ledakan sinar gamma di konstelasi Eridanus. Peristiwa tersebut, yang dikatalogkan 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: Semburan sinar gamma khas berjarak sekitar 20 miliar tahun cahaya. "Kami benar-benar duduk di barisan depan ketika ledakan sinar gamma ini terjadi," jelas rekan penulis Andrew Taylor dari DESY. Tim segera menangkap sisa-sisa ledakan ketika terlihat oleh teleskop HESS. "Kita bisa mengamati sisa-sisa cahaya selama beberapa hari dan energi sinar gamma yang belum pernah terjadi sebelumnya," lapor Taylor.

Jarak yang relatif pendek ke ledakan sinar gamma ini memungkinkan pengukuran terperinci dari spektrum sisa cahaya, yang merupakan distribusi "warna" atau energi foton dari radiasi, dalam rentang energi yang sangat tinggi. "Kami dapat menentukan spektrum GRB 190829A hingga energi 3,3 tera-elektronvolt, itu sekitar satu triliun kali lebih energik daripada foton cahaya tampak," jelas rekan penulis Edna Ruiz-Velasco dari Institut Max Planck untuk Fisika Nuklir di Heidelberg . "Inilah yang sangat luar biasa tentang ledakan sinar gamma ini -- terjadi di halaman belakang kosmik kita di mana foton berenergi sangat tinggi tidak terserap dalam tabrakan dengan cahaya latar dalam perjalanan mereka ke Bumi, seperti yang terjadi pada jarak yang lebih jauh di Bumi. kosmos."

Tim bisa mengikuti sisa cahaya hingga tiga hari setelah ledakan awal. Hasilnya mengejutkan: "Pengamatan kami mengungkapkan kesamaan aneh antara sinar-X dan emisi sinar gamma energi yang sangat tinggi dari sisa-sisa ledakan," lapor Zhu. Teori yang mapan mengasumsikan bahwa dua komponen emisi harus dihasilkan dengan mekanisme terpisah: komponen sinar-X berasal dari elektron ultra-cepat yang dibelokkan dalam medan magnet kuat di sekitar ledakan. Proses "sinkronisasi" ini sangat mirip dengan bagaimana 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 yang cukup untuk secara langsung menghasilkan sinar gamma berenergi sangat tinggi yang teramati. Hal ini disebabkan oleh "batas pembakaran", yang ditentukan oleh keseimbangan akselerasi dan pendinginan partikel di dalam akselerator. Memproduksi sinar gamma berenergi sangat tinggi membutuhkan elektron dengan energi jauh di luar batas pembakaran. Sebaliknya, teori saat ini berasumsi bahwa dalam ledakan sinar gamma, elektron cepat bertabrakan dengan foton synchrotron dan dengan demikian meningkatkannya menjadi energi sinar gamma dalam proses yang disebut synchrotron self-Compton.

Tetapi pengamatan dari sisa-sisa 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 dan sinar gamma berenergi sangat tinggi dalam pijaran cahaya ini dihasilkan oleh mekanisme yang sama. "Agak tidak terduga untuk mengamati karakteristik spektral dan temporal yang sangat mirip dalam sinar-X dan pita energi sinar gamma energi yang sangat tinggi, jika emisi dalam dua rentang energi ini memiliki asal yang berbeda," kata rekan penulis Dmitry Khangulyan dari Universitas Rikkyo di Tokyo. Ini menimbulkan tantangan bagi asal Compton-sendiri synchrotron dari emisi sinar gamma energi yang sangat tinggi.

Implikasi luas dari kemungkinan ini menyoroti perlunya studi lebih lanjut tentang emisi sisa GRB energi yang sangat tinggi. GRB 190829A hanya ledakan sinar gamma keempat yang terdeteksi dari tanah. Namun, ledakan yang terdeteksi sebelumnya terjadi lebih jauh di kosmos dan sisa-sisanya hanya dapat diamati selama beberapa jam masing-masing dan tidak pada energi di atas 1 tera-electronvolts (TeV). "Melihat ke masa depan, prospek deteksi ledakan sinar gamma oleh instrumen generasi berikutnya seperti Array 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 berharap bahwa deteksi reguler di pita energi yang sangat tinggi akan menjadi agak umum, membantu kita untuk sepenuhnya memahami fisika mereka."