Gammastrahlenausbruch "ertappt" - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Gammastrahlenausbruch „ertappt“

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Diese Illustration zeigt einen Gammastrahlenausbruch, wie er beim Kollaps eines Sterns zu einem Schwarzen Loch entsteht. (Grafik: NASA/GSFC)
Gammastrahlenausbrüche gehören zu den hellsten Ereignissen im Kosmos, doch sie sind schon nach wenigen Sekunden wieder vorüber. Das macht es so schwer, mehr über diese kosmischen Explosionen zu erfahren. Jetzt haben Astronomen jedoch genau im richtigen Moment „hingeschaut“: Sie konnten einen solchen Gammablitz von Beginn an erfassen und seine frühe, helle Phase mit gleich mehreren Teleskopen verfolgen. Dies lieferte den Forschern entscheidende Einblicke in die Prozesse, durch Gammastrahlenausbrüche entstehen.

Gammastrahlenausbrüche gehören zu den energiereichsten Ereignissen des Universums: In den wenigen Sekunden, die ein solcher Blitz andauert, setzt er etwa so viel Energie frei wie unsere Sonne in ihrer gesamten Lebenszeit. „Gammastrahlenausbrüche sind katastrophale Ereignisse, die wahrscheinlich bei der Explosion massereicher Sternen von der 50-fachen Sonnenmasse entstehen“, erklärt Erstautorin Eleonora Troja vom Goddard Space Flight Center der NASA. „Wenn man alle Explosionen im Universum nach ihrer Stärke sortieren würde, würden die Gammastrahlenausbrüche direkt hinter dem Urknall folgen.“

Ausbruch rechtzeitig eingefangen

Was genau bei einem solchen Ausbruch geschieht, ist jedoch bisher nur in Teilen geklärt. Dies liegt unter anderem daran, dass die Gammablitze so schnell vorüber sind. „Diese Ereignisse sind unvorhersehbar und wenn dann ein Ausbruch geschieht, ist er auch sofort wieder vorüber“, erklärt Co-Autor Alexander Kutyrev von der University of Maryland. Der Gammastrahlenausbruch dauert selten länger als eine Minute. Zwar besitzen Astronomen mit dem Fermi-Gammastrahlen-Teleskop der NASA einen perfekten Ausbruchswächter im Orbit, dieses registriert aber nur den Gammastrahlenanteil. Bis dann optische Teleskope verständigt sind und sich auf den Ausbruch richten, ist die heiße Phase oft längst vorbei. Sie können dann nur noch das Nachglühen registrieren, bei dem Strahlung in verschiedensten Wellenbereichen frei wird.  Was aber in der ersten, extrem energiereichen Phase des Gammastrahlenausbruchs passiert, ließ sich daher noch kaum direkt beobachten.

Jetzt jedoch ist es den Astronomen gelungen, einen solchen Gammastrahlenausbruch sozusagen „auf frischer Tat“ zu ertappen. Am 25. Juni 2016 registrierte das Fermi-Teleskop um 22:40 Uhr Weltzeit einen ersten, nur eine Sekunde anhaltenden Gammastrahlenpuls und identifizierte ihn als beginnenden Gammastrahlenausbruch. Sofort wurde eine automatische Nachricht mit den Koordinaten an ein Netzwerk angeschlossener Teleskope gesendet. Drei Minuten später folgte der Hauptblitz des GRB 160625B getauften Ausbruchs. Bereits 95 Sekunden nach dessen Beginn hatte auch das robotische MASTER-IAC Teleskop auf Teneriffa den Ausbruch im Visier und lieferte Daten zur Strahlung im optischen Wellenbereich.

Jet mit Doppelnatur

Das Entscheidende dabei: Dadurch konnten die Astronomen erstmals mitverfolgen, welche Polarisation das direkt beim Ausbruch abgestrahlte Licht hat. Wichtig ist dies deshalb, weil die Schwingungsrichtung des Lichts einiges darüber verrät, wie diese Strahlung entstanden ist. Sie kann damit dazu beitragen, einige der Theorien zur Entstehung der Strahlenpulse zu bestätigen oder zu widerlegen, wie die Forscher erklären. „Dieser Ausbruch war einzigartig, weil wie die Polarisation in einem sehr frühen Stadium der Explosion einfangen konnten“, sagt Kutyrev. Nach gängiger Theorie entsteht die extreme Gammastrahlung, weil Elektronen durch die Schockwelle des implodierenden Sterns auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. In weit ins All hinausreichenden Gasströmen, den sogenannten Jets, werden sie auf einen Spiralkurs gezwungen, durch den sie Energie in Form von Strahlung abgeben – die sogenannte Synchrotron-Strahlung. Ob diese Theorie jedoch stimmt und wodurch die Elektronen auf den Spiralkurs gebracht werden, war unklar.

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Jetzt liefert GRB 160625B dafür die Bestätigung: „Synchrotron-Strahlung ist der einzige Emissions-Mechanismus, der die gleiche Polarisation und das gleichen Spektrum erzeugen kann, wie wir es nun in diesem Ausbruch beobachtet haben“, sagt Troja. „Unsere Studie liefert daher überzeugende Belege dafür, dass die Gammastrahlung durch Synchrotronstrahlung angetrieben wird.“ Die Beobachtungsdaten geben auch erste Hinweise darauf, wodurch die Elektronen zu spiraliger Bewegung gebracht werden: Offenbar geschieht dies zu Beginn der Explosion durch starke Magnetfelder, später jedoch sorgen die Schockwellen der Explosion und Kollisionen mit Teilchen für weitere Strahlungsemissionen. „Die Jets der Gammastrahlenausbrüche haben demnach eine hybride Natur“, erklärt Troja. „Die Jets beginnen magnetisch, aber während sie wachsen, degradiert das magnetische Feld und verliert seine Dominanz. Dann übernimmt die Materie und dominiert nun ihrerseits die Jets.“

Damit hat GRB 160625B den Astronomen wertvolle neue Einblicke in die Abläufe und Mechanismen bei Gammastrahlenausbrüchen geliefert. Die Forscher sind damit wieder einen Schritt weiter in ihrem Verständnis dieser Mega-Explosionen des Kosmos.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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