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Astronomie+Physik

Gammastrahlenausbruch aus der Jugend des Kosmos

GRB-Nachglühen
Nachglühen des Gammastrahlenausbruchs GRB181123B (Kreis) (Bild: Travis Rector/University of Alaska Anchorage), Mahdi Zamani und Davide de Martin)

Gammastrahlenausbrüche gehören zu hellsten Phänomenen des Kosmos. Innerhalb weniger Sekunden setzen sie so viel Strahlung frei wie die Sonne in ihrer gesamten Lebenszeit. Jetzt haben Astronomen den zweitfernsten je beobachteten Gammablitz entdeckt. Der kurze Gammastrahlenausbruch ereignete sich rund zehn Milliarden Lichtjahre entfernt und damit in der Frühzeit des Kosmos. Dies wirft auch ein neues Licht auf die wahrscheinlichen Urheber dieser energiereichen Blitze – die Kollisionen zweier Neutronensterne. Der ferne Blitz spricht nun dafür, dass es solche Verschmelzungen schon im noch jungen Universum gab.

Vor mehr als 50 Jahren wurden die Gammastrahlenausbrüche durch Zufall entdeckt, als das im Orbit kreisende Compton-Observatorium fast täglich einen dieser extrem kurzen Blitze registrierte. Etwa ein Drittel dieser Ereignisse, so weiß man heute, geht auf die sogenannten kurzen Gammastrahlenausbrüche zurück. Diese Ausbrüche kurzwelliger und damit sehr energiereicher Gammastrahlung werden nicht von Supernovae verursacht, sondern wahrscheinlich von der Kollision zweier Neutronensterne. Weil aber diese Blitze nur wenige Sekunden lang anhalten, ist ihre Ortung und damit auch die Lokalisation ihrer Quelle, eine echte Herausforderung. Dies gelingt nur, wenn ein Gammastrahlen-Observatorium wie der Fermi-Satellit der NASA den Blitz detektiert, seine Meldung dann rechtzeitig von Astronomen bemerkt wird und diese dann andere Teleskope auf die vermutete Quelle richten. Im Schnitt gibt es pro Jahr nur sieben bis acht kurze Gammastrahlenausbrüche, bei denen diese Ortung gelingt.

Zehn Milliarden Lichtjahre entfernt

Einen dieser Fälle haben Astronomen um Kerry Paterson von der Northwestern University in Evanston eingefangen. Am 23.November 2018 schickte das Swift-Observatorium der NASA die Meldung über einen Gammastrahlenausbruch an das Astronomennetzwerk – es war in den USA der Abend von Thanksgiving. Dennoch reagierten die Forscher schnell: Innerhalb kurzer Zeit stürzten Paterson und ihr Team die geplanten Beobachtungen des Gemini North Teleskops auf dem Mauna Kea auf Hawaii um und richteten das Teleskop auf das Himmelsgebiet, aus der der SGRB181123 getaufte Gammablitz gekommen war. Der Blitz selbst war zwar schon lange vorbei, aber selbst kurze Gammastrahlenausbrüche zeigen noch einige Stunden lang ein Nachglühen in langwelligeren, weniger energiereichen Strahlenbereichen. Weitere Teleskope wie das Gemini South in Chile und die Teleskope des Keck Observatoriums auf Hawaii nahmen diese Stelle ins Visier. „Wir konnten so schon wenige Stunden nach dem Ausbruch umfassende Beobachtungen anstellen“, sagt Paterson. „Die scharfen Gemini-Aufnahmen erlaubten es uns, den Gammastrahlenausbruch auf eine bestimmte Galaxie zurückzuführen.“

Doch wie weit lag diese Galaxie entfernt? Um das herauszufinden, analysierten die Forscher das Lichtspektrum der Galaxie mit mehreren Spektrographen im optischen und nahinfraroten Wellenbereich. „Nachdem wir das optische Spektrum erhalten hatten, war klar, dass dieses Ereignis einer der am weitesten entfernten kurzen Gammastrahlenausbrüche ist, der je registriert wurde“, sagt Paterson. Den Messungen zufolge lag die Quelle der Strahlung rund zehn Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. „Damit ist GRB181123B der fernste kurze Gamastrahlenausbruch mit nachgewiesenem optischen Nachglühen und einer der am weitesten entfernten überhaupt“, konstatieren die Astronomen. Der Gammablitz stammt aus einer Zeit, als das Universum erst 3,8 Milliarden Jahre alt war – knapp ein Drittel so alt wie heute.

Spitze eines Eisbergs?

„Einen so weit entfernten kurzen Gammastrahlenausbruch zu finden, haben wir nicht erwartet, denn sie sind extrem selten und lichtschwach“, sagt Patersons Kollege Wen-fai Fong. „Wir waren daher angenehm überrascht.“ Aus näheren Analysen geht hervor, dass die Wirtsgalaxie dieses Gammablitzes zur Zeit des Ausbruchs eine stellare Masse von rund 17 Milliarden umfasste und eine bereits abnehmende Sternbildungsrate aufwies. Sie hatte ihre aktivste Zeit damit schon hinter sich – obwohl der Kosmos als Ganzes noch jung war und die Sternbildung gerade erst ihren Höhepunkt erreichte. Die Tatsache, dass schon relativ früh in der kosmischen Geschichte kurze Gammastrahlenausbrüche auftraten, legt nahe, dass es schon damals Doppelsternsysteme aus zwei Neutronensternen gegeben haben muss, wie die Astronomen erklären.

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„Ein Gammablitz aus dieser Zeit deutet darauf hin, dass dieses Neutronensternpaar relativ zügig verschmolzen sein muss“, erklärt Fong. Der Prozess von der Entstehung der Neutronensterne in Supernovae über ihre allmähliche Annäherung bis zu Kollision könnte weniger als eine Milliarde Jahre gedauert haben. „Unseren Daten zufolge können demnach solche Verschmelzungen überrraschend schnell ablaufen“, so Paterson. Auf Basis von ergänzenden Modellsimulationen gehen sie und ihre Kollegen zudem davon aus, das GRB 181123B kein Einzelfall und auch keine Ausnahme war. „Wir könnten hier die Spitze eines ganzen Eisbergs aus fernen kurzen Gammastrahlenausbrüchen entdeckt haben“, so die Forscherin.

Quelle: Kerry Paterson (Northwestern University, Evanston) et al., Astrophysical Journal Letters; accepted

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