Astronomen konnten am 27. April 2013 mit dem Weltraumteleskop Fermi einen Gammastrahlenausbruch beobachten, welcher alle zuvor mit Fermi beobachteten Ereignisse dieser Art übertrifft. Mit einer Energie von mindestens 94 Milliarden Elektronenvolt war die Energie der Gammastrahlung von GRB 130427A bis zu dreimal höher als bei dem bisherigen Rekordhalter. Der im Sternbild Löwe lokalisierte Gamma-Ausbruch dauerte zudem nahezu einen Tag lang an und konnte deshalb auch mit weiteren Teleskopen beobachtet werden.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, NASA.
(Bild: NASA, DOE, Fermi LAT Collaboration)
Ein ungewöhnlich stark ausfallender Gammastrahlenausbruch (kurz „GRB“) versetzte vor knapp zwei Wochen Astronomen auf der ganzen Welt in Erstaunen. In den Vormittagsstunden des 27. April 2013 registrierte eines der Instrumente des auf die Gammastrahlenastronomie spezialisierten Weltraumteleskops Fermi, der Gamma-ray Burst Monitor (kurz „GBM“), einen ungewöhnlich starken Gammablitz. Hierbei handelte es sich um das stärkste Signal eines Gammablitz, welches seit Jahrzehnten gemessen werden konnte. Der Gammastrahlenausbruch konnte nahezu zeitgleich auch mit anderen Instrumenten, darunter auch das Hauptinstrument von Fermi, das Large Area Telescope (kurz „LAT“), nachgewiesen werden.
„Beim Frühstück am Samstag kam plötzlich eine automatische Nachricht von Fermi„, so Dr. Andreas von Kienlin vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, dem an diesem Tag für das GMB-Instrument verantwortlichen Wissenschaftler. „Als ich die vom Satelliten gesendeten Daten zum ersten Mal sah, konnte ich kaum meinen Augen trauen. Dieser Gammastrahlenausbruch war so unglaublich hell, dass er sogar alle unsere Detektoren gesättigt hat. Die GRB-Wissenschaftlergemeinde hat ein derart helles Ereignis seit etwa dreißig Jahren nicht mehr gesehen. Es ist das hellste Ereignis, das der GBM jemals gemessen hat.“
Unverzüglich wurden weitere Wissenschafter über die Entdeckung in Kenntnis gesetzt und dazu aufgerufen, mit erdgebundenen Teleskopen kurzfristig anzusetzende Nachbeobachtungen dieses Gammastrahlenausbruches durchzuführen. Das „Nachglühen“ des GRB’s konnte – nicht zuletzt dank der schnellen und genauen Positionsinformation des Weltraumteleskops Swift, welches ebenfalls auf dieses Ereignis triggerte – dann auch erfolgreich bei optischen, infraroten und Radiowellenlängen durch bodengebundene Observatorien nachgewiesen werden. Ebenfalls entscheidend für diesen Erfolg war die ungewöhnlich lange Dauer des Ausbruches, welcher fast einen Tag lang beobachtet werden konnte. Durch die parallel erfolgenden Beobachtungen in möglichst vielen Wellenlängenbereichen erhoffen sich die Astronomen Erkenntnisse darüber, welches Ereignis die gewaltige Explosion ausgelöst haben könnte.
(Bild: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik)
Die an den Untersuchungen beteiligten Astronomen gelangten schnell zu der Erkenntnis, dass der im Sternbild Löwe lokalisierte GRB sich in einer Entfernung von etwa 3,6 Milliarden Lichtjahren zu unserem Sonnensystem ereignet hat, was für einen GRB eine relativ geringe Entfernung darstellt. „Dass diese Explosion, Milliarden von Lichtjahren entfernt, dennoch unsere Detektoren saturiert hat, zeigt wie unglaublich energiereich dieses Ereignis war“, so Dr. Andreas von Kienlin.
Gammastrahlenblitze stellen die hellsten und energiereichsten jemals beobachteten Explosionen im Weltall dar. Für den Großteil dieser Ereignisse ist vermutlich der „Tod“ eines massereichen Sterns verantwortlich, welcher seinen für die Kernfusion benötigten nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat. Sobald ein Stern, welcher über mindestens 20 Sonnenmassen verfügt, seinen Brennstoff aufgebraucht hat, kollabiert dieser unter seiner eigenen Masse zu einem schwarzen Loch. Dabei bilden sich Plasma-Jets aus, welche mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen schießen.
Diese Jets bahnen sich zunächst ihren Weg durch den kollabierten Stern und treffen dann mit dem zuvor ausgeworfenen Gas des Sterns zusammen. Dabei werden Schockfronten und ein auch im sichtbaren Lichtspektrum zu erkennendes helles Nachleuchten erzeugt, welches sich mit der Zeit abschwächt. Sofern sich der GRB nahe genug zu unserem Sonnensystem befindet, können Astronomen nach dem Ausbruch normalerweise auch die Signaturen einer Supernova beobachten.
(Bild: NASA, Swift, Stefan Immler)
„Da dieser GRB vergleichsweise nahe bei uns stattfand, suchen wir jetzt mit all unseren Teleskopen nach einer mit dem Ereignis verbundenen Supernova“, erklärt Dr. von Kienlin. Es wird allgemein erwartet, dass diese Supernova bis Mitte Mai 2013 entdeckt werden wird.
Dank des sehr breiten Energiebereichs, welcher durch den Gamma-ray Burst Monitor und das LAT-Instrument auf Fermi abgedeckt wird, war es möglich, das Emissionsspektrum des Gammastrahlenausbruchs GRB 130427A – die Ziffern in dieser Bezeichnung stehen für den Tag, an dem der Gammablitz nachgewiesen werden konnte – über einen beispiellos großen Energiebereich von acht keV bis hin zu etwa 100 GeV zu vermessen.
Das LAT-Instrument wies dabei sogar ein Gammaquant mit einer Energie von mindestens 94 Milliarden Elektronenvolt nach. Dies ist ungefähr 35 Milliarden Mal stärker als die Energie des sichtbaren Lichts beziehungsweise drei Mal stärker als der bisherige Rekord eines GRB-Signals. Die Emission im GeV-Bereich dauerte mehrere Stunden an und blieb für das LAT fast einen ganzen Tag nachweisbar. Diese Beobachtung setzt somit eine neue Rekordmarke bezüglich der längsten Gammastrahlenemission eines GRBs.
„Wir mussten lange auf einen Gamma-Ausbruch mit einer solchen hohen Energie warten“, so die Fermi-Projektwissenschaftlerin Julie McEnery vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt/USA. „Der Ausbruch dauerte so lange an, dass er von einer Rekord-Anzahl an Teleskopen auf der Erde ins Visier genommen werden konnte.“
„Wir können besonders stolz auf diese Detektion sein, da alle 14 Gammastrahlungsdetektoren und auch die Stromversorgungseinheit des GBM-Instruments von unserem Institut entwickelt, gebaut und getestet wurden“, so Dr. Andreas von Kienlin.
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