Gammastrahlenausbrüche

Gammastrahlenausbrüche sind die stärksten Explosionen im Universum und überstrahlen für wenige Sekunden alle anderen Gammastrahlenquellen am Himmel. Im Podcast erklärte Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching welche Himmelskörper zu solchen Ausbrüchen fähig sind, wie man sie entdecken kann und was passiert, wenn ein Gammablitz die Erde trifft. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Sie sind fast schon wieder vorbei, bevor sie richtig begonnen haben: Gammablitze gehören zu den kürzesten Ereignissen am Himmel – aber auch zu den heftigsten: Für wenige Sekunden strahlen sie im Gammabereich so stark wie eine ganze Galaxie. Für das bloße Auge sind diese Ereignisse allerdings unsichtbar. Das erklärt vielleicht auch, warum man über Gammablitze eher stolperte, anstatt gezielt nach ihnen zu suchen.

Jochen Greiner

Jochen Greiner: „Das war eine Zufallsentdeckung. Als in den 1960er-Jahren der partielle Atomwaffenteststoppvertrag zwischen Russland und Amerika abgeschlossen wurde, haben die Amerikaner Satelliten gestartet, die das Abkommen überwachen sollten. Die hatten Gammadetektoren an Bord, die dann plötzlich diese Gammaausbrüche gemessen haben.“

Bei der Explosion einer Atombombe wird unter anderem Gammastrahlung freigesetzt, welche die Satelliten nachweisen sollten. Als die amerikanischen Gammadetektoren dann tatsächlich Signale registrierten, stimmte allerdings ein entscheidender Faktor nicht: Die Gammablitze kamen nicht von der Erde, sondern aus dem Weltall. Dies war der erste Nachweis von Gammastrahlenausbrüchen.

„Die meiste Energie wird typischerweise zwischen hundert und dreihundert Kiloelektronenvolt ausgestrahlt. Eine typische Röntgenaufnahme beim Arzt arbeitet bei 25 Kiloelektronenvolt, also sind die Gammablitze noch einmal einen Faktor vier bis hundert höher in der Energie. Das Spektrum ist aber sehr breitbandig.“

Der Gammablitz kann also bis in den Megaelektronenvoltbereich strahlen. Auf der anderen Seite des Spektrums ist er oft auch noch im Röntgenbereich zu sehen. Jochen Greiner arbeitet mit dem Weltraumobservatorium Fermi. Dieses registriert ungefähr einmal pro Tag einen Gammablitz. Bisher haben Forscher Tausende von Gammablitzen aufgespürt, die sich vor allem in ihrer Dauer unterscheiden.

„Die mittlere Dauer beträgt rund zehn Sekunden. Wir kennen Gammablitze, die nur ganz kurz sind, also wenige Millisekunden lang. Es gibt aber auch eine Handvoll von Bursts, die bis zu zweitausend oder dreitausend Sekunden lang waren. Wir unterscheiden auch zwischen sogenannten kurzen und langen Bursts, die vermutlich auch einen unterschiedlichen Ursprung haben.“

Unterschiedlicher Ursprung

Kurze Blitze machen rund ein Drittel aller Gammastrahlenausbrüche aus. Sie stammen vermutlich von zwei massereichen, kompakten Objekten in einem Doppelsystem. Diese Objekte umkreisen sich eng und verschmelzen letztlich miteinander, zum Beispiel zwei Neutronensterne oder ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch. Das ist bis jetzt nur eine Hypothese, wenn auch eine plausible, denn da der Blitz so kurz ist, muss seine Quelle sehr kompakt sein. Die längeren Blitze hingegen entstehen vermutlich, wenn ein massereicher Stern am Ende seiner Entwicklung angelangt ist. Er kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft und explodiert schließlich als Supernova.

„Aus noch ungeklärten Gründen passiert nun bei etwa einem Prozent dieser Sterne irgendetwas Ungewöhnliches beim Kollaps, was dann zu diesem Gammastrahlenausbruch führt. Bei all den anderen gibt es eine normale Supernovaexplosion, aber bei etwa einem Prozent wird Gammastrahlung freigesetzt. Der Grund dafür ist nicht klar. Es gibt verschiedene Möglichkeiten: entweder ist dieser Vorläuferstern sehr massereich oder er rotiert sehr schnell oder aber er besitzt ein sehr großes Magnetfeld.“

Gammastrahlenausbruch

Entlang der Rotationsachse des Sterns bildet sich ein sogenannter Jet, ein gebündelter Strom aus geladenen Teilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Raum hinausgeschleudert werden. Dieser Teilchenstrahl erzeugt die Gammastrahlung – wie genau, ist noch Gegenstand aktueller Forschung. Zunächst hatten Wissenschaftler in den Spektren der Gammablitze vor allem nach Emissionslinien gesucht. Diese charakteristischen Linien sollten Hinweise auf den Mechanismus liefern, durch den die Strahlung erzeugt wird. Die Hoffnung auf diese Linien hat sich jedoch nicht erfüllt. Trotzdem hält das Spektrum besonders heller Gammablitze noch die eine oder andere Überraschung bereit.

„Im hochenergetischen Teil des Spektrums taucht plötzlich ein Knick auf im Spektrum – es gibt also eine zweite Komponente. Und auch im Niederenergetischen sieht man bei ganz hellen Bursts eine zusätzliche Komponente. Das sind Entdeckungen aus den letzten zwei, drei Jahren, die noch nicht vollständig verstanden sind.“

Diese Besonderheit im Spektrum konnte bis jetzt aber nur bei rund einem Dutzend Blitzen nachgewiesen werden. Der eigentliche Gammablitz dauert zwar nur wenige Sekunden, aber bei den langen Ausbrüchen durch Supernovae tritt üblicherweise das Phänomen des Nachleuchtens auf.

„Entweder durch die reine mechanische Energie der Explosionswolke oder eben hauptsächlich durch die riesige freigesetzte Strahlungsenergie, wird die Umgebung des explodierenden Sterns angeleuchtet. Das ist dann ähnlich wie die Fluoreszenz einer Uhr, die man nachts kurzzeitig mit einer Taschenlampe anstrahlt. Genau wie die Uhr das Licht zurückstrahlt, strahlt auch die Umgebung über Stunden und Tage zurück. Das Zurückstrahlen erfolgt hauptsächlich im Röntgen- und im optischen Bereich, aber man kann es sogar bis hinein in den Radiobereich sehen.“

Gammablitze in der Milchstraße

Über dieses Nachleuchten können Astronomen berechnen, wie weit die Quelle der Gammablitze entfernt liegt. Alle bis jetzt entdeckten Explosionen ereigneten sich demnach in weit entfernten Galaxien. Ein Beispiel: Die Quelle des ersten Gammablitzes, dessen Entfernung im Jahr 1997 bestimmt werden konnte, liegt sechs Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt.

„Die riesige Leuchtkraft bei diesen Explosionen bedeutet aber auch, dass wir diese bis zu ganz besonderen Entfernungen sehen können, was Gammastrahlenausbrüche eben auch für viele andere Forschungsgebiete interessant macht. Bei einem Alter des Universums, das ungefähr der Hälfte oder einem Viertel des jetzigen Universums entspricht, gibt es nur eine Handvoll von Objekten, die hell genug sind, damit sie das Weltraumteleskop Hubble überhaupt sehen kann. Gammablitze hingegen sind sehr einfach mit Gammadetektoren zu sehen.“

Weltraumteleskop Fermi

Anhand der Gammablitze gewinnen Wissenschaftler also Einblicke in ein weit entferntes und längst vergangenes Universum, denn das Licht des Nachleuchtens durchläuft beispielsweise die Galaxie, in der sich der Gammastrahlenausbruch ereignete. Eine Analyse dieses Lichts kann so Aufschlüsse darüber liefern, welche chemischen Elemente in diesen frühen Galaxien schon vorhanden waren. Prinzipiell könnten auch in der Milchstraße Gammablitze auftreten.

„Wir nehmen an, dass wir in unserer Galaxie drei Supernovae pro Jahrhundert haben. Das Verhältnis von Supernova zu Gammablitz beträgt eins zu hundert, also würden wir etwa alle zehntausend Jahre einen Gammablitz in unserer Galaxis erwarten. Die Wahrscheinlichkeit, dass wir einen sehen, ist dennoch gering, weil der Jet vermutlich nur einen Öffnungswinkel von wenigen Grad hat.“

Da die Jets so schmal sind, ist es sehr unwahrscheinlich, dass einer genau in Richtung Erde zeigt. Und das ist auch gut so, denn während die Strahlung extragalaktischer Gammablitze nicht durch die Erdatmosphäre dringt, könnte ein Gammablitz aus unserer Galaxis sich fatal auf die Erde auswirken.

„Also das betrifft dann nur Gammastrahlenausbrüche, die wirklich in unserer Galaxie auftreten und so nah sind, dass ihre sphärische Explosionswolke auf uns zukommt. Anders ist es schon, wenn dieser Jet auf uns gerichtet ist. Das sind doch relativ erhebliche Energien, und da wird allgemein angenommen, dass dann unsere Atmosphäre entweder weggeblasen wird oder auch verdampfen kann; je nachdem, wie das Spektrum ins Weiche geht.“

Doch nicht nur was dieses Endzeitszenario betrifft, müssen Astrophysiker noch einiges über Gammastrahlenausbrüche lernen. Denn wie genau die Blitze aus den Jets hochenergetischer Teilchen entstehen, was sie über die Struktur in den Jets aussagen können oder wie der Himmelskörper aussieht, der die Jets ausstößt: Auch rund vierzig Jahre nach Entdeckung der Gammablitze ist vieles noch nicht verstanden.