Quelle: NASA / Science, 9. Dezember 2025

Astronomen haben eine Flut von Daten aus NASA-Satelliten und anderen Einrichtungen ausgewertet, um herauszufinden, was für einen außergewöhnlichen kosmischen Ausbruch verantwortlich war, der am 2. Juli entdeckt wurde.
Bei dem Ereignis handelte es sich um einen GRB (Gammastrahlenausbruch), die stärkste Klasse kosmischer Explosionen. Während die meisten GRBs nur eine Minute dauern, hielt dieser mehrere Tage an.
Die Forscher diskutieren eifrig über ihre Ergebnisse und sind sich einig, dass dieses beispiellose Ereignis wahrscheinlich eine neue Art von Sternexplosion ankündigt. Wissenschaftler sagen, die beste Erklärung für den Ausbruch sei, dass ein Schwarzes Loch einen Stern verschlungen habe, aber sie sind sich uneinig darüber, wie genau dies geschehen ist. Zu den spannenden Möglichkeiten gehören ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die einige tausend Mal so groß ist wie die der Sonne, das einen Stern zerfetzt, der ihm zu nahe gekommen ist, oder ein viel kleineres Schwarzes Loch, das mit seinem stellaren Begleiter verschmilzt und diesen verschlingt.

„Die erste Welle von Gammastrahlen dauerte mindestens 7 Stunden, fast doppelt so lange wie der bisher längste beobachtete GRB, und wir haben weitere ungewöhnliche Eigenschaften festgestellt“, sagte Eliza Neights von der George Washington University in Washington und dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Dies ist zweifellos ein Ausbruch, wie wir ihn in den letzten 50 Jahren noch nie gesehen haben.“
Neights und andere Astronomen stellten ihre Ergebnisse im Oktober auf der Tagung der High Energy Astrophysics Division der American Astronomical Society in St. Louis, Missouri, vor. Eine Reihe von Artikeln zu diesem Ereignis wurde bereits veröffentlicht oder zur Veröffentlichung angenommen, weitere sind in Vorbereitung.

Außergewöhnlicher Ausbruch

GRBs werden durchschnittlich etwa einmal pro Tag entdeckt und können ohne Vorwarnung überall am Himmel auftreten. Es handelt sich um sehr weit entfernte Ereignisse, wobei das nächstgelegene bekannte Beispiel mehr als 100 Millionen Lichtjahre entfernt stattfand.
Die Rekorddauer des Ausbruchs im Juli, der den Namen GRB 250702B erhielt, macht ihn zu einem einzigartigen Ereignis. Von den rund 15.000 GRBs, die seit der ersten Entdeckung des Phänomens im Jahr 1973 beobachtet wurden, ist keiner so lang, und nur ein halbes Dutzend kommt ihm auch nur annähernd nahe. Da Gelegenheiten zur Untersuchung solcher Ereignisse so selten sind und sie neue Wege zur Entstehung von GRBs aufzeigen könnten, sind Astronomen von dem Ausbruch im Juli besonders begeistert.
Die meisten Ausbrüche dauern zwischen wenigen Millisekunden und einigen Minuten und entstehen bekanntermaßen auf zwei Arten: entweder durch die Verschmelzung zweier neutronischer Sterne von der Größe einer Stadt oder durch den Kollaps eines massereichen Sterns, sobald dessen Kern keinen Brennstoff mehr hat. Bei beiden Entstehungsarten entsteht ein neues Schwarzes Loch. Ein Teil der Materie, die in Richtung des Schwarzen Lochs fällt, wird in enge Teilchenstrahlen kanalisiert, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit austreten und dabei Gammastrahlen erzeugen. Aber keine dieser Arten von Ausbrüchen kann ohne Weiteres Jets erzeugen, die tagelang feuern können, weshalb 250702B ein einzigartiges Rätsel darstellt.

Beobachtung des Lichts

Der Gamma-ray Burst Monitor des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA entdeckte den Ausbruch und löste im Laufe von drei Stunden mehrere Male aus. Er wurde auch vom Burst Alert Telescope des Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, dem russischen Konus-Instrument der Wind-Mission der NASA, dem Gamma-Ray and Neutron Spectrometer auf Psyche – einem Raumschiff der NASA, das derzeit auf dem Weg zum Asteroiden 16 Psyche ist – und dem japanischen Monitor of All-sky X-ray Image Instrument auf der Internationalen Raumstation entdeckt.

„Der Ausbruch dauerte so lange, dass kein Hochenergiemonitor im Weltraum in der Lage war, ihn vollständig zu beobachten“, sagte Eric Burns, Astrophysiker an der Louisiana State University in Baton Rouge und Mitglied des Teams von Neights, das das Gammastrahlenglühen des Ausbruchs untersucht. „Nur durch die kombinierte Leistung der Instrumente mehrerer Raumfahrzeuge konnten wir dieses Ereignis verstehen.“
Das Weitwinkel-Röntgenteleskop der chinesischen Einstein-Sonde hat den Ausbruch ebenfalls in Röntgenstrahlen erfasst und gezeigt, dass bereits am Vortag ein Signal vorhanden war. Die erste genaue Lokalisierung erfolgte am frühen Morgen des 3. Juli, als das Röntgenteleskop von Swift den Ausbruch im Sternbild Scutum in der Nähe der dichten, staubigen Ebene unserer Milchstraße abbildete. Angesichts dieses Ortes und der Röntgenstrahlendetektion am Vortag fragten sich die Astronomen, ob es sich bei diesem Ereignis um eine andere Art von Ausbruch aus unserer eigenen Galaxie handeln könnte.

Bilder von einigen der größten Teleskope der Welt, darunter die Teleskope der Keck- und Gemini-Observatorien auf Hawaii und das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile, deuteten darauf hin, dass sich an dieser Stelle eine Galaxie befand, sodass sich die Astronomen an das Hubble-Weltraumteleskop der NASA wandten, um ein klareres Bild zu erhalten.
„Es handelt sich definitiv um eine Galaxie, was beweist, dass es sich um eine weit entfernte und gewaltige Explosion handelte, aber sie sieht seltsam aus“, sagte Andrew Levan, Professor für Astrophysik an der Radboud-Universität in den Niederlanden, der die VLT- und Hubble-Studie leitete. „Die Hubble-Daten könnten entweder zwei verschmelzende Galaxien zeigen oder eine Galaxie mit einem dunklen Staubband, das den Kern in zwei Teile teilt.“
Neuere Bilder, die mit dem NIRcam-Instrument des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA aufgenommen wurden, stützen Levans Interpretation nachdrücklich. „Die Auflösung von Webb ist unglaublich. Wir können so deutlich sehen, dass der Ausbruch durch diese Staubbahn hindurchleuchtete, die sich über die Galaxie erstreckt“, sagte Huei Sears, Postdoktorand an der Rutgers University in New Jersey, der die NIRcam-Beobachtungen leitete. „Es ist fantastisch, den GRB-Wirt so detailliert zu sehen.“
Ende August nutzte ein Team unter der Leitung von Benjamin Gompertz von der Universität Birmingham in Großbritannien das NIRSpec-Instrument von Webb und das VLT, um die Entfernung der Galaxie und andere Eigenschaften zu bestimmen. „Der Ausbruch war bemerkenswert stark und entfaltete eine Energie, die der von tausend Sonnen entspricht, die 10 Milliarden Jahre lang leuchten“, sagte Gompertz. „Erstaunlicherweise ist die Galaxie so weit entfernt, dass das Licht dieser Explosion vor etwa 8 Milliarden Jahren zu seiner Reise begann, lange bevor sich unsere Sonne und unser Sonnensystem überhaupt zu bilden begannen.“

Eine umfassende Untersuchung des Röntgenlichts nach dem Hauptburst stützte sich auf Beobachtungen von Swift, dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA und der NuSTAR-Mission (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) der Behörde. Die Daten von Swift und NuSTAR zeigten schnelle Flares, die bis zu zwei Tage nach der Entdeckung des Bursts auftraten.
„Die fortgesetzte Akkretion von Materie durch das Schwarze Loch trieb einen Ausfluss an, der diese Flares erzeugte, aber der Prozess dauerte viel länger, als es in Standard-GRB-Modellen möglich ist“, sagte Studienleiter Brendan O’Connor, McWilliams-Postdoktorand an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. „Die späten Röntgenflares zeigen uns, dass die Energiequelle der Explosion nicht abgeschaltet werden konnte, was bedeutet, dass das Schwarze Loch nach der ersten Eruption noch mindestens einige Tage lang weiter angetrieben wurde.“

Widersprüchliche Beweise

Die Daten von Fermi und Swift deuten auf einen typischen, wenn auch ungewöhnlich langen GRB hin. Spektroskopische Beobachtungen mit Webb ergaben keine Supernova-Explosion, die normalerweise auf einen GRB nach einem Sternkollaps folgt, obwohl diese möglicherweise durch Staub und Entfernung verdeckt wurde. Einstein Probe registrierte einen Tag vor dem Ausbruch Röntgenstrahlen, während NuSTAR bis zu zwei Tage danach Röntgenflares verfolgte, was beides für GRBs untypisch ist.
Darüber hinaus zeigt eine detaillierte Studie unter der Leitung von Jonathan Carney, einem Doktoranden an der University of North Carolina in Chapel Hill, dass sich die Wirtsgalaxie stark von den typischerweise kleinen Galaxien unterscheidet, in denen die meisten GRBs nach einem Sternenkollaps auftreten. „Diese Galaxie ist überraschend groß und hat mehr als doppelt so viel Masse wie unsere eigene Galaxie“, sagte er.
In beiden der am häufigsten diskutierten Szenarien wird das Schwarze Loch den Stern innerhalb von etwa einem Tag verschlungen haben.
Das erste Szenario geht von einem Schwarzen Loch mittlerer Masse aus, das einige Tausend Sonnenmassen und einen Ereignishorizont – den Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt – hat, der um ein Vielfaches größer ist als die Erde. Ein Stern wandert zu nahe heran, wird durch die Gravitationskräfte entlang seiner Umlaufbahn gedehnt und schnell vom Schwarzen Loch verschlungen. Dies beschreibt, was Astronomen als Gezeitenzerreißungsereignis bezeichnen, das jedoch durch ein selten beobachtetes „mittelschweres” Schwarzes Loch verursacht wird, dessen Masse viel größer ist als die von Sternen, die durch einen Sternenkollaps entstanden sind, und viel kleiner als die von Giganten, die sich im Zentrum großer Galaxien befinden.

Das Gammastrahlenteam bevorzugt ein anderes Szenario, denn wenn dieser Ausbruch wie andere ist, muss die Masse des Schwarzen Lochs eher der unserer Sonne ähneln. Ihr Modell sieht ein Schwarzes Loch vor, das etwa dreimal so massereich ist wie die Sonne – mit einem Ereignishorizont von nur 18 Kilometern Durchmesser –, das einen Begleitstern umkreist und mit ihm verschmilzt. Der Stern hat eine ähnliche Masse wie das Schwarze Loch, ist aber viel kleiner als die Sonne. Das liegt daran, dass seine Wasserstoffatmosphäre größtenteils abgetragen wurde, bis auf seinen dichten Heliumkern, wodurch ein Objekt entstanden ist, das Astronomen als Heliumstern bezeichnen.
In beiden Fällen fließt Materie aus dem Stern zunächst zum Schwarzen Loch und sammelt sich in einer riesigen Scheibe, von der aus das Gas schließlich in das Schwarze Loch stürzt. An einem bestimmten Punkt dieses Prozesses beginnt das System, hell im Röntgenlicht zu leuchten. Dann, während das Schwarze Loch die Materie des Sterns schnell verschlingt, schießen Gammastrahlen nach außen.
Bemerkenswert ist, dass das Modell der Heliumsternverschmelzung eine einzigartige Vorhersage trifft. Sobald das Schwarze Loch vollständig in den Hauptkörper des Sterns eingetaucht ist und ihn von innen auffrisst, explodiert die freigesetzte Energie den Stern und treibt eine Supernova an.
Leider ereignete sich diese Explosion hinter enormen Staubmengen, sodass selbst die Leistungsfähigkeit des Webb-Teleskops nicht ausreichte, um die erwartete Supernova zu sehen. Während eindeutige Beweise für die Erklärung der Ereignisse vom 2. Juli noch auf zukünftige Ereignisse warten müssen, hat 250702B bereits neue Erkenntnisse über die längsten GRBs geliefert, was zum großen Teil der ständigen kosmischen Überwachung durch die Observatorien und Instrumente der NASA im Rahmen der Bemühungen der Behörde zur Erforschung und zum Verständnis des Universums zu verdanken ist.
Die von Neights verfasste Arbeit über Gammastrahlen wurde von den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Preprint) angenommen. Die Arbeit von Gompertz über NIRSpec (Preprint) wurde bei The Astrophysical Journal Letters eingereicht, das am 26. November die Arbeit von Carney, am 14. November die Arbeit von O’Connor über Röntgenstrahlen und im August die Arbeit von Levan veröffentlicht hat.
Die Fermi-Mission ist eine Partnerschaft im Bereich der Astrophysik und Teilchenphysik, die von der NASA Goddard geleitet und in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium entwickelt wurde, mit wichtigen Beiträgen von akademischen Einrichtungen und Partnern in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten. Die Swift-Mission wird von Goddard in Zusammenarbeit mit der Penn State University, dem Los Alamos National Laboratory in New Mexico, Northrop Grumman Space Systems in Dulles, Virginia, und Partnern wie der University of Leicester und dem Mullard Space Science Laboratory im Vereinigten Königreich, dem Brera-Observatorium in Italien und der italienischen Weltraumagentur ASI geleitet.
Hubble ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA und wird von Goddard geleitet. Webb, das weltweit führende Weltraumobservatorium, ist eine gemeinsame Mission der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumagentur.
NuSTAR wird von Caltech geleitet und vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien verwaltet. Das Missionskontrollzentrum befindet sich an der University of California in Berkeley. NuSTAR wurde in Zusammenarbeit mit der Dänischen Technischen Universität und der Italienischen Weltraumagentur entwickelt.
Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, verwaltet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory steuert die wissenschaftlichen Operationen von Cambridge, Massachusetts, aus und die Flugoperationen von Burlington, Massachusetts, aus.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 5. September 2023.

5. September 2023 – Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat Dr. Aditya Parthasarathy, einem Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, im Rahmen des Förderprogramms „Horizon Europe“ einen renommierten und äußerst begehrten Starting Grant in Höhe von rund 1,6 Millionen Euro verliehen. Der Betrag wird es ihm und seinem Team ermöglichen, die genannten grundlegenden Fragen der Astrophysik im Rahmen des Projekts „A Gamma-ray Infrastructure to Advance Gravitational Wave Astrophysics“ (GIGA) zu untersuchen.

„Es ist eine sehr aufregende Zeit für die Gravitationswellenforschung bei niedrigen Frequenzen. Mit GIGA werden wir den Stand der Technik für Pulsar-Timing-Arrays sowohl im Gammastrahlen- als auch im Radiowellenbereich vorantreiben“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy. Pulsare entstehen durch den finalen Gravitationskollaps massereicher Sterne, der einen kompakten Neutronenstern zurücklässt, der dichter als ein Atomkern ist und sich Hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse dreht. Neutronensterne senden bei jeder Umdrehung Strahlen aus, die wie ein Signal von kosmischen Leuchttürmen durch die Galaxis ziehen. Die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Pulse kann genutzt werden, um nach winzigen Schwankungen in ihrem Ticken zu suchen, die eine Fülle astrophysikalischer Informationen enthalten. Ein Pulsar-Timing-Array nutzt eine ganze Ansammlung solcher kosmischen Uhren, um das schwache Meer von Gravitationswellen zu entdecken, das das Universum durchdringt.

Es wird erwartet, dass dieser sogenannte Gravitationswellenhintergrund von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher stammt, die in den Zentren verschmelzender Galaxien zu finden sind. Ein signifikanter Nachweis dieses Signals wird unser Verständnis der Entwicklung von Galaxien und der Eigenschaften des frühen Universums kurz nach dem Urknall verbessern. Kürzlich hat ein internationales Team von Astronomen den ersten überzeugenden Beweis für den Gravitationswellenhintergrund bekannt gegeben, wobei viele der empfindlichsten Radioteleskope der Welt und über 15 Jahre lang gesammelte Daten zum Einsatz kamen. Obwohl dieses bahnbrechende Ergebnis den ersten Schritt zur Erforschung niederfrequenter Gravitationswellen darstellt, bleibt noch sehr viel zum weiteren Verständnis zu tun.

„Eines der größten Hindernisse bei der Verbesserung der Empfindlichkeit von Pulsar Timing Arrays ist unsere Kenntnis des interstellaren Mediums und der Modellierung seiner Auswirkungen auf die Beobachtungsdaten von Pulsaren“, sagt Dr. Parthasarathy. Wenn sich Radiowellen vom Pulsar zu unserem Planeten ausbreiten, werden sie von den Elektronen im interstellaren Medium abgelenkt, was direkte Messungen der Gravitationswellenparameter verfälscht. „GIGA wird diese große Einschränkung überwinden, indem es Gammastrahlen-Beobachtungen von Pulsaren mit dem Fermi-Weltraumteleskop der NASA nutzt. Da Gammastrahlen nicht in gleicher Weise durch das interstellare Medium beeinflusst werden, wird ein Gammastrahlen-Pulsar-Timing-Array einen unabhängigen und direkteren Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds ermöglichen“, fügt er hinzu.

„GIGA ist eine aufregende Idee, die bahnbrechende Ergebnisse verspricht“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ des Instituts. „Eine Kombination von Gammastrahlen- und Radiodaten wird nicht nur die abgeleitete Empfindlichkeit für den Gravitationswellenhintergrund erhöhen, sondern auch dazu beitragen, dessen astrophysikalische Ursprünge besser zu verstehen“, fügt er hinzu.

Dr. Parthasarathy wird vor Ende 2023 zu ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie, wechseln, wo er seinen ERC Starting Grant nutzen wird, seine eigene Forschungsgruppe aufzubauen. „Ich freue mich sehr darauf, meine Forschungsgruppe aufzubauen, während ich weiterhin mit meinen MPIfR-Kollegen zusammenarbeite, und ich bin dem ERC für die Finanzierung dankbar“, sagt er abschließend.

Hintergrundinformation
Der Europäische Forschungsrat (ERC) gibt die Vergabe von 400 Starting Grants an junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ganz Europa bekannt. Mit den Finanzhilfen in Höhe von insgesamt € 628 Mio. € – wird die Spitzenforschung in einem breiten Spektrum von Bereichen unterstützt, von Medizin und Physik bis hin zu Sozial- und Geisteswissenschaften. Die Grants helfen Forschern am Anfang ihrer Laufbahn, ihre eigenen Projekte zu starten, Forschungsteams zu bilden und ihre besten Ideen zu verfolgen.

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• Ehrungen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 23. Februar 2023.

23. Februar 2023 – Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn präsentiert wichtige neue Ergebnisse zur Galaxie OJ 287, die auf den bisher dichtest getakteten und längsten Beobachtungen vom Radio- bis zum Hochenergiefrequenzbereich basieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler waren in der Lage, entscheidende Tests von Modellvorhersagen durchzuführen, die ein Paar Schwarzer Löcher im Zentrum dieser Galaxie beschreiben. Dazu wurden verschiedene Beobachtungsinstrumente wie das Radioteleskop Effelsberg und das Neil-Gehrels-Swift-Observatorium eingesetzt. Zum ersten Mal wurde eine unabhängige Bestimmung der Masse des Schwarzen Lochs durchgeführt und der Anteil der Materie in der umgebenden Akkretionsscheibe konnte abgeschätzt werden.

Die Resultate zeigen, dass ein außergewöhnlich großes Schwarzes Loch von mehr als 10 Milliarden Sonnenmassen nicht mehr erforderlich ist. Stattdessen sprechen die Ergebnisse für Modelle mit einer kleineren Masse des primären Schwarzen Lochs in der Größenordnung von 100 Millionen Sonnenmassen. Mehrere bisher nicht gelöste Rätsel, darunter das scheinbare Ausbleiben des letzten großen Strahlungsausbruchs von OJ 287 (der jetzt identifiziert wurde) und der viel diskutierte Emissionsmechanismus während der Hauptausbrüche, können auf diese Weise geklärt werden. Zusätzlich konnten Ergebnisse zur Blazar-Physik gewonnen werden, die Prozesse in der Nähe der Startregion des Jets aufzeigen.

Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die theoretische Modellierung von engen Paaren supermassereicher Schwarzen Löcher und ihrer Entwicklung, für das Verständnis des Zusammenspiels von Akkretion und der Entstehung von Jets Schwarzer Löcher, für künftige Pulsar-Timing-Messungen und den Nachweis von Gravitationswellen aus diesem System mit weltraumgestützten Observatorien sowie für eine direkte räumliche Auflösung dieses Systems mit dem Event-Horizon-Teleskop oder dem künftigen SKA-Observatorium.

Die Präsentation der Ergebnisse erfolgt in zwei aktuellen Veröffentlichungen in den Fachzeitschriften „MNRAS Letters“ und „The Astrophysical Journal“.

Blazare sind Galaxien mit starken, langlebigen Jets aus relativistischen Teilchen, die in unmittelbarer Nähe ihres zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs ausgestoßen werden.

Wenn zwei Galaxien kollidieren und miteinander verschmelzen, entstehen supermassereiche binäre Schwarze Löcher. Solche Binärsysteme sind von großem Interesse, da sie eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Galaxien und dem Wachstum von Schwarzen Löchern spielen. Außerdem sind miteinander verschmelzende Binärsysteme die stärksten Quellen von Gravitationswellen im Universum. Die künftige Satellitenmission LISA („Laser Interferometer Space Antenna“) der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) zielt auf den direkten Nachweis solcher Wellen ab. Die Suche nach Systemen binärer Schwarzer Löcher ist derzeit in vollem Gange.

OJ 287 ist ein heller Blazar in Richtung des Sternbilds Krebs in einer Entfernung von ca. 5 Milliarden Lichtjahren. Er ist einer der besten Kandidaten für ein kompaktes binäres supermassereiches Schwarzes Loch. Das Markenzeichen von OJ 287 sind außergewöhnliche Strahlungsausbrüche, die sich alle 11 bis 12 Jahre wiederholen. Einige dieser Ausbrüche sind so intensiv, dass OJ 287 vorübergehend zum hellsten Blazar am Himmel wird. Die sich wiederholenden Ausbrüche sind so bemerkenswert, dass in der Literatur eine Reihe verschiedener Binärmodelle zur Erklärung dieser Ausbrüche vorgeschlagen wurden. Da ein zweites Schwarzes Loch im System das massereichere Schwarze Loch umkreist, stört es entweder den Jet oder die Akkretionsscheibe des massereicheren Schwarzen Lochs und ruft auf diese Weise eine periodische Modulation der Helligkeit von OJ 287 hervor.

Bislang gab es jedoch keine direkte, unabhängige Bestimmung der Masse des primären Schwarzen Lochs, und keines der Modelle konnte in systematischen Beobachtungskampagnen kritisch geprüft werden, da diese Kampagnen über keine breitbandige Abdeckung der Strahlung in vielen verschiedenen Frequenzen verfügten. Zum ersten Mal wurden nun zahlreiche Sätze von gleichzeitigen Röntgen-, UV- und Radiobeobachtungen sowie optischer und Gammastrahlenbänder genutzt. Ermöglicht wurden die neuen Erkenntnisse durch das MOMO-Projekt („Multiwavelength Observations and Modelling of OJ 287“), das eine der dichtesten und am längsten andauernden Mehrfrequenz-Beobachtungskampagnen aller Blazare, die auch Röntgenstrahlung einbeziehen, darstellt, außerdem die dichteste jemals für OJ 287 durchgeführte Beobachtungskampagne.

„OJ 287 ist ein exzellentes Labor, um die physikalischen Bedingungen zu untersuchen, die in einer der extremsten astrophysikalischen Umgebungen herrschen: Scheiben und Jets von Materie in unmittelbarer Nähe von einem oder zwei supermassereichen Schwarzen Löchern“, sagt Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die Erstautorin der beiden hier vorgestellten Studien. „Deswegen haben wir das Projekt MOMO initiiert. Es bedient sich dicht getakteter Beobachtungen von OJ 287 bei mehr als 14 Frequenzen vom Radio- bis zum Hochenergiebereich, die sich über Jahre erstrecken, sowie spezieller Nachbeobachtungen von mehreren boden- und weltraumgestützten Observatorien aus, wenn der Blazar in außergewöhnlichen Zuständen gefunden wird.“

„Tausende von Datensätzen wurden bereits aufgenommen und ausgewertet. Das macht OJ 287 zu einem der am besten überwachten Blazare im UV-Röntgen-Radio-Bereich“, fügt Ko-Autor Alex Kraus vom MPIfR hinzu. „Das Radioteleskop Effelsberg und die Weltraummission Swift spielen eine zentrale Rolle in dem Projekt.“

Das Radioteleskop Effelsberg liefert Informationen über ein breites Spektrum von Radiofrequenzen, während das Neil-Gehrels-Swift-Observatorium genutzt wird, um gleichzeitig UV-, optische und Röntgendaten zu erhalten. Hochenergetische Gammastrahlendaten vom Fermi-Observatorium sowie Radiodaten vom Submillimeter Array (SMA) auf dem Maunakea/Hawaii wurden ebenfalls benutzt.

In der Regel dominiert der Jet die elektromagnetische Strahlung von OJ 287. Der Jet ist so hell, dass er die Strahlung der Akkretionsscheibe (die Strahlung der Materie, die in das Schwarze Loch fällt) überstrahlt, so dass es schwierig bis unmöglich ist, die Emission der Akkretionsscheibe zu beobachten. Das ist so, als würde man direkt in einen Autoscheinwerfer schauen. Aufgrund der großen Anzahl von MOMO-Beobachtungen, die das Licht von OJ 287 in einem dichten Rhythmus abdeckten (fast jeden zweiten Tag eine neue Beobachtung mit Swift), wurden jedoch „Deep Fades“ entdeckt. Dabei handelt es sich um Zeiten, in denen die Jet-Emission stark abklingt. Dadurch wird es den Forschern möglich, die Emission aus der Akkretionsscheibe einzugrenzen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Materiescheibe, die das Schwarze Loch umgibt, mindestens um einen Faktor 10 schwächer ist als bisher angenommen, mit einer geschätzten Leuchtkraft von nicht mehr als 2 x 10⁴⁶ erg/s, was etwa dem 5-Billionenfachen der Leuchtkraft unserer Sonne (5 x 10¹² Lʘ) entspricht.

Zum ersten Mal wurde die Masse des primären Schwarzen Lochs von OJ 287 aus der Bewegung der an das Schwarze Loch gebundenen gasförmigen Materie abgeleitet. Die Masse beträgt das Hundertmillionenfache der Masse unserer Sonne. „Dieses Ergebnis ist sehr wichtig, denn die Masse ist ein Schlüsselparameter in den Modellen, die die Entwicklung eines solchen Binärsystems untersuchen: Wie weit sind die Schwarzen Löcher voneinander entfernt, wie schnell werden sie verschmelzen, wie stark ist ihr Gravitationswellensignal“, kommentiert Dirk Grupe von der Northern Kentucky University (USA), ein Mitautor beider Studien.

„Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine außergewöhnlich große Masse für das Schwarze Loch von OJ 287, die 10 Milliarden Sonnenmassen übersteigt, nicht mehr erforderlich ist, ebenso wenig wie eine besonders leuchtkräftige Materiescheibe um das Schwarzen Loch“, fügt Thomas Krichbaum vom MPIfR hinzu, ein Mitautor des ApJ-Artikels. Die Ergebnisse sprechen eher für ein Binär-Modell mit geringerer Masse.

Die Studie löst auch zwei seit langem diskutierte Rätsel: das scheinbare Fehlen des letzten der hellen Ausbrüche, für die OJ 287 berühmt ist, und den Emissionsmechanismus hinter den Ausbrüchen. Die MOMO-Beobachtungen ermöglichen es, den Zeitpunkt des letzten Ausbruchs genau festzulegen. Er ereignete sich nicht im Oktober 2022, wie es das Modell mit riesiger Schwarz-Loch-Masse vorhergesagt hatte, sondern in den Jahren 2016-2017, die von MOMO umfassend erfasst wurden. Darüber hinaus zeigen Radiobeobachtungen mit dem 100-Meter-Teleskop in Effelsberg, dass diese Ausbrüche nicht-thermischer Natur sind. Das bedeutet, dass Jet-Prozesse die Energiequelle der Ausbrüche sind.

Die MOMO-Ergebnisse haben Auswirkungen auf gegenwärtige und künftige Suchstrategien nach weiteren Binärsystemen dieser Art mit Hilfe großer Observatorien wie dem Event-Horizon-Teleskop und in Zukunft dem SKA-Observatorium. Sie könnten in Zukunft den direkten Radionachweis und die räumliche Auflösung der beiden Schwarzen Löcher in OJ 287 und ähnlichen Systemen sowie den Nachweis von Gravitationswellen von diesen Systemen ermöglichen. OJ 287 wird aufgrund der abgeleiteten Masse des primären Schwarzen Lochs von 100 Millionen Sonnenmassen nicht mehr als Zielquelle für Pulsar-Timing-Arrays dienen, wird aber (während des Verschmelzens) in der Reichweite zukünftiger weltraumgestützter Observatorien liegen.

„Unsere Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die theoretische Modellierung von binären supermassereichen Schwarzen Löchern und ihrer Entwicklung, für das Verständnis der Physik der Akkretion und des Materieauswurfs in der Nähe von supermassereichen Schwarzen Löchern und für die elektromagnetische Identifizierung von Binärsystemen im Allgemeinen“, schließt Stefanie Komossa.

Hintergrundinformation:
MOMO („Multiwavelength Observations and Modelling of OJ 287“): Das Projekt hat zum Ziel, die Physik von Scheibe und Jet im Blazar OJ 287 zu verstehen, Modelle für binäre Schwarze Löcher zu testen und den Status und die Entwicklung von kompakten Binärsystemen zu verstehen. Es wurde 2015 begonnen und umfasst mehrjährige Beobachtungen der Galaxie OJ 287 mit hoher Taktrate in einem sehr breiten Frequenzspektrum vom Radio- bis zum Hochenergiebereich. Die Beobachtungen werden mit einer hohen Taktrate (bis zu einmal pro Tag) durchgeführt. MOMO deckt alle Aktivitätszustände von OJ 287 ab. Bei außergewöhnlichen Zuständen von OJ 287 werden Folgebeobachtungen mit zusätzlichen boden- und weltraumgestützten Teleskopen durchgeführt, einschließlich empfindlicher Spektroskopie im optischen und Röntgenbereich.

Das Radio-Observatorium Effelsberg befindet sich in einem Tal in der Eifel bei Bad Münstereifel-Effelsberg, etwa 40 km südwestlich von Bonn. Es wird vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn betrieben. Das 100-m-Radioteleskop ist eines der größten voll beweglichen Radioteleskope der Erde. Es ermöglicht Messungen in einem breiten Spektrum von Radiofrequenzen zwischen 300 MHz und 90 GHz.

Das Neil-Gehrels-Swift-Observatorium ist ein weltraumbasiertes Multi-Wellenlängen-Observatorium zur Erforschung von Gammastrahlenausbrüchen und einer Vielzahl anderer astrophysikalischer Objekte mit stark veränderlicher Strahlung. Der Satellit Swift hat drei Teleskope an Bord, die Messungen im optischen, UV-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich durchführen. Swift ist Teil des NASA-Programms Medium Explorer (MIDEX) und wurde 2004 in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht.

Das Forschungsteam umfasst S. Komossa, D. Grupe, A. Kraus, M.A. Gurwell, Z. Haiman, F.K. Liu, A. Tchekhovskoy, L.C. Gallo, M. Berton, R. Blandford, J.L. Gómez, und A.G. Gonzalez (MNRAS Letter), sowie S. Komossa, A. Kraus, D. Grupe, A.G. Gonzalez, M.A. Gurwell, L.C. Gallo, F.K. Liu, I. Myserlis, T.P. Krichbaum, S. Laine, U. Bach, J.L. Gómez, M.L. Parker, S. Yao, und M. Berton (ApJ Paper). Stefanie Komossa, Alex Kraus, Thomas Krichbaum, Uwe Bach und Su Yao sind Mitarbeiter des MPIfR.

Originalveröffentlichungen:
Absence of the predicted 2022 October outburst of OJ 287 and implications for binary SMBH scenarios
S. Komossa et al., in: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, 23. Februar 2023. DOI: 10.1093/mnrasl/slad016

Multifrequency radio variability of the blazar OJ 287 from 2015–2022, absence of predicted 2021 precursor-flare activity, and a new binary interpretation of the 2016/2017 outburst
S. Komossa et al., in: Astrophysical Journal, 23. Februar 2023. DOI: 10.3847/1538-4357/acaf71 (Preprint via astro-ph: https://arxiv.org/abs/2302.11486)

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Januar 2023.

25. Janaur 2023 – Neun Millisekunden-Pulsare, die meisten in seltenen und teils ungewöhnlichen Doppelsystemen: Das sind die ersten Ergebnisse einer gezielten Durchmusterung mit dem südafrikanischen Teleskop-Array MeerKAT. Ein internationales Team mit maßgeblicher Beteiligung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) wählte 79 unidentifizierte pulsar-ähnliche Quellen aus Beobachtungen des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA aus und beobachtete sie mit MeerKAT im Radiobereich. Die Kombination dieser bewährten Methode mit einem Teleskop-Array der nächsten Generation hat deutliche Vorteile gegenüber früheren Durchmusterungen. Das Team entdeckte neun schnell rotierende Neutronensterne, die meisten mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Bei zwei dieser Objekte wurden Pulsationen der Gammastrahlung, optische Gegenstücke und bei einem weiteren System Röntgenstrahlung entdeckt.

Das Team vom AEI suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von einem der Neutronensterne. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von gezielten Suchen nach Radiopulsaren in unidentifizierten Gammastrahlenquellen. Diese dürften für weitere Erkenntnisse sorgen: Die Forschenden sind sicher, dass sich bei künftigen Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare entdecken lassen.

Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (MNRAS) veröffentlicht.

„Für unsere TRAPUM-Durchmusterung haben wir mit MeerKAT, einem relativ neuen und äußerst empfindlichen Radioteleskop, zusammen mit einer speziellen Analysesoftware eine Auswahl vielversprechender pulsar-ähnlicher Quellen beobachtet“, sagt Colin Clark, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Erstautor der Studie. „Die Belohnung für unsere Mühen ist etwas, auf das wir stolz sein können: Wir haben neun neue Millisekunden-Pulsare entdeckt, von denen einige recht ungewöhnlich sind.“

Das Team verwendete einen bewährten Ansatz, um neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken: Der Katalog des Fermi Large Area Telescope verzeichnet Gammastrahlenquellen, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA in acht Jahren Beobachtungszeit entdeckte. Dieser Katalog enthält Informationen über die Himmelspositionen der Quellen, die Energieverteilung ihrer Gammastrahlung und die zeitlichen Veränderungen ihrer Gammastrahlenhelligkeit. „Wir haben mit Methoden des maschinellen Lernens für alle Quellen im Fermi-Katalog, die nicht mit bekannten Himmelsobjekten assoziiert sind, die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass sie Pulsare sind“, erklärt Clark. „So identifizierten wir die pulsar-ähnlichsten Quellen im Fermi-Katalog. Danach reduzierten wir unsere Liste auf diejenigen Quellen, die mit unserer Durchmusterung am ehesten nachweisbar sein würden. Wir haben dann 79 Quellen mit MeerKAT beobachtet.“

MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit am Südhimmel
MeerKAT ist eine Anordnung von 64 Parabolantennen mit einem effektiven Durchmesser von je 13,5 Meter in der Karoo in Südafrika. MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit für Himmelsobjekte in der südlichen Hemisphäre. Es ist in der Lage, Quellen zu entdecken, die etwa fünfmal schwächer sind als diejenigen, die das zweitempfindlichste Teleskop der Südhemisphäre beobachten kann.

Das „TRansients and Pulsars using MeerKAT Large Survey Project“ (TRAPUM) nutzt diese Empfindlichkeit, um nach neuen Pulsaren in den Teilen des Himmels zu suchen, in denen sie am wahrscheinlichsten zu finden sind: Kugelsternhaufen, nahe Galaxien, Supernovaüberreste und – wie in dieser Untersuchung – unidentifizierte Gammastrahlenquellen. Dies erforderte die Entwicklung spezieller Computerhardware, die die Daten der MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen großen Radioteleskop kombiniert, das fast 500 nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig beobachten kann.

Bei dieser TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen wird die zusätzliche Empfindlichkeit von MeerKAT dazu genutzt, um die Beobachtungszeit auf nur 10 Minuten zu verkürzen. Das ist wesentlich kürzer als die stundenlangen Beobachtungen, die zuvor erforderlich waren, um Pulsare in diesen Quellen zu finden.

Kurze Beobachtungen haben viele Vorteile: In begrenzter Beobachtungszeit lassen sich mehr Quellen erfassen. Sie können wiederholt beobachtet werden, was die Chance erhöht, einen neuen Radiopulsar zu entdecken, da sie bei der ersten Beobachtung nicht immer sichtbar sind. Die TRAPUM-Pulsardurchmusterung umfasste zwei Beobachtungen pro Quelle. Die Analyse kurzer Beobachtungen ist rechnerisch weniger anspruchsvoll als die von längeren. Zudem kann die Bahnbewegung in Doppelsternsystemen die Entdeckung von Radiopulsaren erschweren. Während einer kurzen Beobachtungszeit ist die Bewegung des Pulsars nahezu konstant, so dass der nachteilige Effekt einer sich ändernden Bahnbewegung verringert wird.

Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit bietet das MeerKAT-Array einen weiteren Vorteil gegenüber Radioteleskopen mit einer einzigen Parabolantenne. MeerKAT kann die Himmelsposition neuer Quellen mit sehr hoher Präzision bestimmen, weil die Einzelantennen bis zu 8 Kilometer voneinander entfernt sind. Das ermöglicht schnelle Folgeuntersuchungen bei anderen Wellenlängen.

Neun neue Millisekunden-Pulsare
Die Suche nach Pulsaren in den großen Datenmengen, die während der TRAPUM-Beobachtungen entstehen, erfordert viel Rechenleistung und eine schnelle Verarbeitung, um Speicherplatz für weitere Beobachtungen freizugeben.

„Wir haben speziell entwickelte Datenanalyse-Methoden verwendet, die auf 120 Grafikprozessoren (GPUs) in einem speziellen Computer-Cluster laufen, um unsere MeerKAT-Beobachtungen zu sichten. Wir haben schnell neun Kandidaten für Millisekunden-Pulsare gefunden, die wir alle durch zusätzliche MeerKAT-Beobachtungen bestätigen konnten“, sagt Ewan Barr, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und TRAPUM-Projektwissenschaftler. „Es ist großartig, dass wir diese Bestätigungsbeobachtungen auch dazu nutzen konnten, die Himmelspositionen zu verfeinern, da MeerKAT in der Lage ist, viele nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig zu beobachten. Das ist von unschätzbarem Wert für Folgeuntersuchungen bei verschiedenen Wellenlängen.“

Ein enges Doppelsternsystem aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg
Eine der Entdeckungen, PSR J1526-2744, wurde anschließend genau untersucht. Nach der Entdeckung dieses Radiopulsars in einem Doppelsternsystem spürten die Forschenden auch die Gammastrahlenpulsationen des Neutronensterns auf. Mit Hilfe aller verfügbaren Fermi-Daten konnten sie die Bahnbewegung genau untersuchen und die Eigenschaften des Doppelsternsystems bestimmen. Höchstwahrscheinlich umkreist der Neutronenstern das gemeinsame Massenzentrum mit einem leichten Weißen Zwerg in etwas weniger als fünf Stunden. Dies wäre die zweitkürzeste bekannte Umlaufzeit eines solchen Doppelsystems.

Das Team suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von PSR J1526-2744. Wäre der Neutronenstern verformt, so würde er Gravitationswellen mit der doppelten Rotationsfrequenz aussenden. Die Forschenden nutzten alle öffentlich verfügbaren Advanced-LIGO-Daten aus den Beobachtungsläufen O1, O2 und O3. Da sie die Bewegung des Pulsars im Doppelsternsystem aufgrund der Gammastrahlenbeobachtungen genau kannten, erreichte das Forscherteam die höchstmögliche Empfindlichkeit für die Suche nach Gravitationswellen.

Gravitationswellen
Auch wenn sie von PSR J1526-2744 keine kontinuierlichen Gravitationswellen beobachteten, konnten sie messen, wie weit der Neutronenstern von der perfekten Achsensymmetrie abweicht. „Wir wissen jetzt, dass PSR J1526-2744 tatsächlich sehr symmetrisch ist. Wir haben gezeigt, dass der Äquator des Neutronensterns nicht viel mehr als der Durchmesser eines menschlichen Haares von einem perfekten Kreis abweichen kann,“ sagt Anjana Ashok, Doktorandin in der permanenten unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe „Kontinuierliche Gravitationswellen“ am AEI Hannover. Sie leitete die Suche nach Gravitationswellen.

Zwei weitere Pulsare, PSR J1036-4353 und PSR J1803-6707, sind typische „Redback“-Pulsarsysteme, die aus Neutronensternen mit Begleitsternen von mindestens einem Viertel der Masse unserer Sonne bestehen. Diese Pulsare verdampfen und zerstören ihre Begleiter im Laufe der Zeit, ähnlich den namensgebenden australischen Rotrückenspinnen, deren Weibchen die Männchen nach der Paarung auffressen.

Nach der schnellen und präzisen Bestimmung der Pulsarpositionen mit den einzigartigen Fähigkeiten von MeerKAT wurden die Pulsarbegleiter im Sternkatalog der Astrometrie-Mission Gaia identifiziert und im optischen Spektrum mit der ULTRACAM-Kamera am New Technology Telescope der ESO untersucht. Darüber hinaus fand man Röntgenstrahlung von PSR J1803-6707 in Daten der ersten eROSITA-Gesamtdurchmusterung. Die Röntgenstrahlung stammt wahrscheinlich von dem energiereichen Pulsarwind, der auf das vom Begleiter verdampfte Material trifft. Sie ist typisch für Redback-Systeme.

Pulsare, die sich im Katalog verstecken
Es ist schwierig, die Anzahl der noch unentdeckten Pulsare abzuschätzen, die sich hinter nicht identifizierten pulsar-ähnlichen Fermi-Quellen verstecken. Dennoch sind die Fachleute sicher, dass zukünftige Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare aufspüren können. In der Zielliste gibt es weitere Kandidaten, die sehr wahrscheinlich Pulsare sind. Allerdings zeigten sie auch in mehreren Durchmusterungen bisher keine pulsierenden Radiowellen oder Gammastrahlen. Neue Teleskope, Analysemethoden und wiederholte Beobachtungsversuche könnten eines Tages beweisen, dass sie Pulsare sind. Mit weiterhin zunehmender Beobachtungszeit von Fermi wird der Quellenkatalog wachsen und weitere pulsar-ähnliche Quellen werden auftauchen und zu potenziellen Zielen werden.

„Unsere Ergebnisse, die nur die ersten der TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen sind, zeigen bereits das große Potenzial von MeerKAT. Mit MeerKAT und einer speziellen Software sind wir nicht nur in der Lage, neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken, sondern auch schnell und präzise zu lokalisieren“, sagt Clark. „Die MeerKAT-Beobachtungen sind eine große Hilfe bei der Nachverfolgung bei mehreren Wellenlängen, bei der Suche in Katalogen und bei zukünftigen Beobachtungen – mit anderen Worten: sie machen Millisekunden-Pulsare zu einem Geschenk, das immer weiter beschenkt.“

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskop ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten für das SKA-Observatorium mit Sitz in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop-Netzwerk wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zu „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskopnetzwerk für eine mittleren Frequenzbereich integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ könnten bereits 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

TRAPUM („TRAnsients and PUlsars with MeerKAT“) ist eines der sogenannten „Large Survey Proposals“, die mit MeerKAT durchgeführt werden. Es handelt sich um eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der Universität Manchester und des MPIfR, an der auch Einrichtungen wie INAF in Italien, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in den USA und das „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) beteiligt sind.

Originalveröffentlichung
The TRAPUM L-band survey for pulsars in Fermi-LAT gamma-ray sources
Colin Clark et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 519, Issue 4, March 2023, Pages 5590–5606, DOI: 10.1093/mnras/stac3742
https://academic.oup.com/mnras/article/519/4/5590/6973222

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: MPIfR.

7. April 2022. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat nun gezeigt, dass auch hochfrequente Gammastrahlung, aufgenommen mit dem Fermi-Teleskop der NASA, für diese Suche genutzt werden kann. Die Verwendung von Gammastrahlen anstelle von Radiowellen ermöglicht einen klareren Blick auf die Pulsare und bietet eine unabhängige und ergänzende Möglichkeit zum Nachweis von Gravitationswellen.

Die Ergebnisse eines internationalen Wissenschaftlerteams, dem auch Aditya Parthasarathy und Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn angehören, werden diese Woche in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Ein Meer von Gravitationswellen

Im Herzen der meisten Galaxien – das sind Ansammlungen von Hunderter Milliarden von Sternen wie unsere eigene Milchstraße – befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Galaxien werden durch ihre heftige Gravitation zueinander hingezogen, und bei ihrer Verschmelzung sinken die zentralen schwarzen Löcher in das neue Zentrum. Wenn diese sich nun spiralförmig nach innen bewegen und selbst miteinander verschmelzen, erzeugen sie extrem langwellige Gravitationswellen mit Hunderten von Billionen von Kilometern oder mehreren Lichtjahren Abstand zwischen den Wellenkämmen. Das Universum ist voll von solchen verschmelzenden supermassereichen schwarzen Löchern, und sie füllen es mit einem Meer von niederfrequenten Raumzeitwellen.

Astronomen suchen seit Jahrzehnten nach diesen Wellen, indem sie die Pulse von Pulsaren, den dichten Überresten massereicher Sterne, systematisch beobachten. Pulsare rotieren mit extremer Regelmäßigkeit, und die Astronomen wissen genau, wann jeder Puls zu erwarten ist. Das Meer der Gravitationswellen verändert jedoch auf subtile Weise den Zeitpunkt, an dem die Impulse die Erde erreichen, und die genaue Beobachtung vieler Pulsare am Himmel kann ihre Anwesenheit aufdecken.

Bei der bisherigen Suche nach diesen Wellen wurden ausschließlich große Radioteleskope eingesetzt, die Radiowellen sammeln und analysieren. Nun hat ein internationales Team von Wissenschaftlern diese winzigen Schwankungen der Raumzeit in Daten der Gammastrahlung gesucht, die über mehr als zehn Jahre mit dem Fermi-Satelliten der NASA aufgenommen wurden. Ihre Analyse zeigt, dass der Nachweis dieser Wellen mit nur wenigen Jahren zusätzlicher Beobachtungen bereits möglich sein könnte.

„Fermi untersucht das Universum mit Gammastrahlen, der energiereichsten Form des Lichts. Wir waren überrascht, wie gut es die Art von Pulsaren aufspürt, die wir für die Suche nach diesen Gravitationswellen benötigen – bisher haben wir mehr als 100 gefunden“, so Matthew Kerr, ein Wissenschaftler am U.S. Naval Research Laboratory in Washington. „Das Fermi-Teleskop und die Gammastrahlen haben einige besondere Eigenschaften, die sie zusammen zu einem sehr mächtigen Werkzeug bei dieser Untersuchung machen.“

Die Ergebnisse der Studie, die von Kerr und Aditya Parthasarathy, einem Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, geleitet wurde, werden in der Fachzeitschrift „Science“ (Ausgabe vom 7. April) veröffentlicht.

Kosmische Uhren

Licht nimmt viele Formen an. Niederfrequente Radiowellen können einige Objekte durchdringen, während hochfrequente Gammastrahlen in energetische Teilchenschauer explodieren, wenn sie auf Materie treffen. Gravitationswellen decken ebenfalls ein breites Spektrum ab, wobei massereichere Objekte tendenziell längere Wellen erzeugen.

Da es unmöglich ist, einen Detektor zu bauen, der groß genug ist, um wellen mit Billionen von Kilometern Wellenlänge aufzuspüren, die von miteinander verschmelzenden supermassereichen schwarzen Löchern erzeugt werden, verwenden die Astronomen in der Natur bereits vorhandene Detektoren in Form sogenannter Pulsar-Timing-Arrays. Dabei handelt es sich um Ansammlungen von Millisekunden-Pulsaren, die sowohl in Radiowellen als auch in Gammastrahlen leuchten und sich jede Sekunde Hunderte von Malen um ihre Achse drehen. Wie Leuchttürme scheinen diese Strahlen regelmäßig zu pulsieren, wenn sie über die Erde hinwegziehen, und wenn sie durch das Meer der Gravitationswellen hindurchgehen, wird ihnen das schwache Grollen entfernter, massereicher schwarzer Löcher aufgeprägt

Einzigartige Messtechnik

Ursprünglich wurden Pulsare mit Hilfe von Radioteleskopen entdeckt, und Pulsar-Timing-Array-Experimente mit Radioteleskopen sind seit fast zwei Jahrzehnten in Betrieb. Die großen Parabolspiegel sind am empfindlichsten für die Auswirkungen von Gravitationswellen, aber interstellare Effekte erschweren die Analyse der Radiodaten. Das Weltall ist größtenteils leer, aber beim Durchqueren der riesigen Entfernung zwischen einem Pulsar und der Erde treffen die Radiowellen immer noch auf viele Elektronen. Ähnlich wie ein Prisma das sichtbare Licht beugt, verbiegen die interstellaren Elektronen die Radiowellen und verändern so ihre Ankunftszeit. Die energiereichen Gammastrahlen werden auf diese Weise nicht beeinflusst, so dass sie eine ergänzende und unabhängige Methode des „Pulsar Timings“ darstellen.

„Die Fermi-Ergebnisse sind bereits 30 % so gut wie die Pulsar-Timing-Arrays im Radiobereich, wenn es darum geht, den Gravitationswellenhintergrund nachzuweisen“, sagt Aditya Parthasarathy. „Wenn wir weitere fünf Jahre lang Pulsardaten sammeln und analysieren, wird das System genauso gut sein, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass wir uns keine Sorgen um all die verirrten Elektronen machen müssen.“

Ein Pulsar-Timing-Array in Gammawellenlängen, das vor dem Start von Fermi nicht vorgesehen war, stellt eine leistungsstarke neue Ergänzung in der Gravitationswellen-Astrophysik dar.

„Der Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds mit Pulsaren ist in Reichweite, bleibt aber schwierig. Eine unabhängige Methode, wie sie hier unerwartet durch Fermi gezeigt wurde, ist eine großartige Neuigkeit, sowohl für die Bestätigung zukünftiger Ergebnisse als auch für die Demonstration von Synergien mit Radioexperimenten“, schließt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“.

Zusätzliche Informationen

Das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop ist eine Kooperation im Bereich der Astrophysik und Teilchenphysik, die vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, geleitet wird. Fermi wurde in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium entwickelt, mit wichtigen Beiträgen von akademischen Einrichtungen und Partnern in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten.

Die FERMI-LAT-Kollaboration umfasst ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Aditya Parthasarathy und Michael Kramer, beide vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Originalveröffentlichung

A Gamma-ray Pulsar Timing Array Constrains the Nanohertz Gravitational Wave Background
The Fermi-LAT Collaboration, Science, 7. April 2022.
DOI: 10.1126/science.abm3231.

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• Gravitationswellen

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Quelle: DESY.

Die hellsten Explosionen des Universums sind möglicherweise stärkere Teilchenbeschleuniger als gedacht: Das zeigt eine außergewöhnlich detaillierte Beobachtung eines solchen kosmischen Gammastrahlungsblitzes. Mit den Spezialteleskopen des H.E.S.S.-Observatoriums in Namibia hat ein internationales Forschungsteam die bislang energiereichste Strahlung von einem Gammablitz registriert und das längste Nachleuchten im Bereich der Gammastrahlung verfolgt. Die Auswertung der Daten legt nahe, dass Röntgen- und Gammastrahlung dieser gewaltigen Sternexplosionen dieselbe Ursache haben und nicht wie bislang angenommen durch getrennte Prozesse entstehen, wie das Team im Fachblatt „Science“ berichtet.

„Gammablitze sind helle Ausbrüche von Röntgen- und Gammastrahlung am Himmel, die von Quellen außerhalb unserer eigenen Galaxie stammen“, erläutert DESY-Forscherin Sylvia Zhu, eine der Autorinnen der Studie. „Sie sind die größten Explosionen im Universum und stehen im Zusammenhang mit dem Kollaps eines schnell rotierenden, massereichen Sterns zu einem Schwarzen Loch.” Ein Teil der dabei freigesetzten Gravitationsenergie treibt eine extrem schnelle, ultrarelativistische Schockwelle an. Darin werden subatomare Teilchen wie Elektronen beschleunigt, die wiederum Gammastrahlung erzeugen können. Gammablitze (Gamma Ray Bursts, GRB) teilen sich in zwei Phasen: eine kurze und chaotische Ausbruchsphase, die einige Dutzend Sekunden dauert, und ein langes, langsam verblassendes Nachglühen.

Am 29. August 2019 registrierten die beiden Satelliten „Fermi“ und „Swift“ der US-Raumfahrtbehörde NASA einen Gammablitz im südlichen Sternbild Eridanus. Das Ereignis wurde nach dem Datum als GRB 190829A katalogisiert. Mit einer Entfernung von rund einer Milliarde Lichtjahren stellte es sich als einer der nächsten Gammablitze heraus, die bislang beobachtet worden sind. Zum Vergleich: Der typische Gammablitz ist rund 20 Milliarden Lichtjahre entfernt. „Wir haben diesen Gammablitz wirklich von der ersten Reihe aus gesehen“, sagt DESY-Forscher Andrew Taylor, Ko-Autor der Studie. Das Team registrierte das Nachleuchten, sobald es in das Gesichtsfeld der H.E.S.S.-Teleskope kam. „Wir konnten das Nachglühen für mehrere Tage und bei bislang beispiellosen Energien verfolgen“, berichtet Taylor.

Die vergleichsweise geringe Distanz des Gammablitzes ermöglichte detaillierte Messungen des Hochenergie-Spektrums seines Nachglühens, also der “Farb-” beziehungsweise Energieverteilung der Röntgen- und Gammaphotonen. „Wir konnten das Spektrum von GRB 190829A bis zu einer Energie von 3,3 Tera-Elektronenvolt vermessen, das ist rund eine Billion Mal energiereicher als sichtbares Licht“, sagt Ko-Autorin Edna Ruiz-Velasco vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. „Das macht diesen Gammablitz so außergewöhnlich – er hat sich in unserer direkten kosmischen Nachbarschaft ereignet, so dass seine sehr energiereichen Photonen nicht durch Kollisionen mit Hintergrundlicht absorbiert worden sind, wie es über längere Distanzen im Kosmos geschieht.“ Bei sehr hohen Energien wird das Universum durch diesen Prozess über große Entfernungen zunehmend undurchsichtig.

H.E.S.S. verfolgte das Nachglühen des Gammablitzes bis zum dritten Tag nach der ursprünglichen Explosion. „Unsere Beobachtungen enthüllen eine verblüffende Ähnlichkeit der Röntgenkomponente und der sehr energiereichen Gammastrahlung im Nachleuchten“, berichtet Zhu. Das ist überraschend, denn die allgemein akzeptierte Theorie geht davon aus, dass diese beiden Strahlungskomponenten durch unterschiedliche Mechanismen produziert werden müssen: Die Röntgenstrahlung stammt demnach von stark beschleunigten Elektronen, die von den starken Magnetfeldern im Umfeld der Explosion abgelenkt werden. Über diesen „Synchrotron-Prozess“ produzieren auch irdische Teilchenbeschleuniger intensive Röntgenstrahlung für wissenschaftliche Untersuchungen.

Für die Produktion sehr energiereicher Gammastrahlung kommt der Synchrotron-Prozess nach gängigen Theorien jedoch zunächst nicht infrage. Schuld ist eine sogenannte Burn-off-Grenze, die durch das Verhältnis von Beschleunigung und Abkühlung der Teilchen in einem Beschleuniger bestimmt wird. Für die Produktion von Gammastrahlung sind Elektronen mit Energien deutlich oberhalb der Burn-Off-Grenze erforderlich, die selbst die stärksten Explosionen im Weltall eigentlich nicht produzieren können. Stattdessen geht die Theorie davon aus, dass die schnellen Elektronen mit den bereits energiereichen Synchrotron-Photonen zusammenstoßen und sie dabei auf Gamma-Energien anheben. Dieser komplizierte Prozess heißt Synchrotron-Self-Compton (SSC).

Die Beobachtungen des Nachleuchtens von GRB 190829A zeigen jedoch, dass beide Komponenten – also Röntgen- und Gammastrahlung – synchron verblasst sind. Außerdem passt das Gammastrahlen-Spektrum gut zu einer Verlängerung des Röntgenspektrums. Zusammengenommen sind diese Eigenschaften ein starkes Indiz dafür, dass beide Strahlungskomponenten vom selben Prozess erzeugt worden sind. „So bemerkenswert ähnliche spektrale und zeitliche Eigenschaften der Röntgen- und der sehr energiereichen Gammastrahlung zu beobachten, würden wir bei getrennten Ursprüngen dieser Strahlungskomponenten nicht erwarten“, erläutert Ko-Autor Dmitry Khangulyan von der Rikkyo-Universität in Tokio. Dies stellt den SSC-Prozess als Ursprung der Gammastrahlung infrage.

Ob die Theorie der Gammablitze geändert werden muss, lässt sich nur durch weitere Beobachtungen der sehr energiereichen Komponente ihres Nachglühens klären. GRB 190829A ist allerdings erst der vierte Gammablitz, der sich bei diesen hohen Energien nachweisen ließ. Die zuvor entdeckten Gammablitze stammten jedoch aus sehr viel größerer Entfernung, und ihr Nachglühen ließ sich jeweils nur für wenige Stunden und nicht bei Energien oberhalb von einem Tera-Elektronenvolt (TeV) beobachten. „Die Instrumente der nächsten Generation wie das Cherenkov Telescope Array, das derzeit in den chilenischen Anden und auf der Kanareninsel La Palma aufgebaut wird, haben jedoch vielversprechende Aussichten, solche Gammablitze regelmäßig zu verfolgen“, sagt H.E.S.S.-Sprecher Stefan Wagner von der Landessternwarte Heidelberg. „Angesichts der allgemeinen Häufigkeit von Gammablitzen im Kosmos dürften uns solche regelmäßigen Nachweise im sehr energiereichen Band sehr helfen, die Physik dieser kolossalen kosmischen Explosionen besser zu verstehen.“

Zu dieser Arbeit haben mehr als 230 Forscherinnen und Forscher der H.E.S.S.-Kooperation von 41 Instituten aus 15 Ländern (Namibia, Südafrika, Armenien, Deutschland, Frankreich, Italien, Großbritannien, Irland, Österreich, Niederlande, Polen, Schweden, Japan, China und Australien) beigetragen. H.E.S.S. ist ein System von fünf sogenannten abbildenden Cherenkov-Teleskopen für die Untersuchung kosmischer Gammastrahlung. Der Name steht für High-Energy Stereoscopic System (Stereoskopisches System zur Beobachtung hochenergetischer Strahlung) und zollt auch dem Entdecker der Kosmischen Strahlung Ehre, Victor Franz Hess, der 1936 für seine Leistung den Physik-Nobelpreis bekam. H.E.S.S. steht in Namibia in der Gamsberg-Region, die für ihre exzellenten Beobachtungsbedingungen bekannt ist. Vier der fünf H.E.S.S.-Teleskope gingen 2003/2003 in Betrieb, das fünfte, deutlich größere Teleskop arbeitet seit Juli 2012. Es hat nicht nur die Empfindlichkeit der Anlage deutlich erhöhnt, sondern auch den beobachtbaren Energiebereich ausgeweitet. 2015/2016 wurden die Kameras der ersten vier H.E.S.S.-Teleskope erneuert und auf den Stand der Technik gebracht, wobei bereits der NECTAr-Chip zum Einsatz kam, der für das Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array CTA, entwickelt worden ist. 2019 wurde dann die Kamera im großen fünften Teleskop mit einer CTA Prototyp-Kamera ausgestattet.

Originalveröffentlichung:
Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow; H.E.S.S. collaboration; „Science“, 2021; DOI: 10.1126/science.abe8560

Animation:
Strahlung von GRB erreicht die Erde
In einer fernen Galaxie kollabiert ein massereicher, sterbender Stern, es entsteht ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Dabei formen sich zwei senkrechte relativistische Plasmastrahlen, die die Sternenhülle durchbrechen. Der Stern explodiert schließlich in einer Supernova. Die Plasmastrahlen (Jets) pflügen durch das umgebende Gas und sammeln Elektronen auf. Diese Elektronen werden durch Magnetfelder im Jet abgelenkt und an der Schockwelle beschleunigt. Bei jeder Ablenkung senden die schnellen Elektronen dann Lichtteilchen im Bereich der Röntgen- und Gammastrahlung aus. Dieses Licht heißt Synchrotronstrahlung und ist durch relativistische Effekte in Richtung des Plasmastrahls gebündelt. Blickt man genau von vorne in den Jet, wird das Ereignis als Gammablitz (Gamma Ray Burst) sichtbar.
Rund 900 Millionen Jahre später erreicht die Strahlung dieses Gamma Ray Bursts die Erde und wird von Satelliten und Teleskopen als GRB 190829A registriert. Energiereiche Lichtteilchen (Photonen) erzeugen Teilchenschauer beim Eintritt in die Atmosphäre Diese Teilchenschauer senden für einige Nanosekunden sogenanntes Tscherenkow-Licht aus, das von Teleskopen wie H.E.S.S. gemessen werden kann. H.E.S.S. konnte das Nachglühen von GRB 190829A auf diese Weise über drei Nächte und in zuvor unerreichtem Detailreichtum verfolgen.
(Animation: DESY, Science Communication Lab („Swift“-Modell nach NASA Model Database))

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• H.E.S.S. Teleskope
• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: Universität Innsbruck.

Diese Blitze begleiten die Geburt stellarer schwarzer Löcher und gehen mit enormen kosmischen Explosionswellen einher. Dabei entsteht Strahlung, die das Billionenfache von Photonen des sichtbaren Lichts erreichen kann. Diese nun in der Fachzeitschrift Science veröffentlichen Beobachtungen stellen die bisherige Theorie zur Entstehung dieser hochenergetischen Strahlung in Frage.

Ein Gammastrahlenausbruch ist ein heller, nur wenige Sekunden andauernder Blitz hochenergetischer Röntgen- und Gammastrahlung. Er entsteht beim Kollaps eines rotierenden massiven Sternes. Ein Teil der dabei freiwerdenden gravitativen Energie nährt die Produktion einer ultrarelativistischen Explosionswelle. Ihre Existenz lässt sich durch ein länger andauerndes Nachglühen vom Gamma- bis in den Radiowellenbereich beobachten.

Am 29. August 2019 erkannten die Fermi- und Neil-Gehrels-Swift-Observatorien einen Gammastrahlenausbruch in nur einer Milliarde Lichtjahren Entfernung im Sternbild Eridanus. Er erhielt den Katalogeintrag GRB 190829A. „Typischerweise sind Gammastrahlenausbrüche sehr viel weiter entfernt. Bei GRB 190829A sitzen wir in der ersten Reihe“, freut sich Prof. Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck, wo er die H.E.S.S.-Arbeitsgruppe leitet. Sobald das Sternbild Eridanus am Nachthimmel beobachtbar wurde, richteten sich die H.E.S.S.-Cherenkov-Teleskope in Namibia auf diese Explosion und konnten es mehrere Tage lang beobachten. „Wir empfingen Photonen bis zu 3,3 Tera-Elektronenvolt, also etwa das Billionenfache optischer Photonen, bisher unerreicht für einen Gammastrahlenausbruch“, staunt Dr. Markus Holler, Senior Scientist in der Innsbrucker H.E.S.S.-Gruppe. Da der Gammastrahlenausbruch auf astronomischen Skalen praktisch vor unserer Haustür stattfand, konnten diese Photonen quasi ungehindert zur Erde reisen.

Nachglühen beobachtet
Die Nähe des Gammastrahlenausbruchs erlaubte eine bisher unerreichte Detailstudie der Energieverteilung (“Spektrum”) der die Erde erreichenden Photonen und ergab etwas Erstaunliches: eine deutliche Ähnlichkeit des Nachglühens im Röntgenbereich und Gammastrahlenbereich. Etablierte Theorien gehen jedoch davon aus, dass die beiden Emissionskomponenten durch separate Mechanismen erzeugt werden. Während die Röntgenkomponente von ultrarelativistischen Elektronen abgestrahlt werden, die in den Magnetfeldern in der Umgebung des Gammastrahlenausbruchs abgelenkt werden, sollte die Gammastrahlung durch die Streuung dieser „Synchrotronphotonen“ an diesen Elektronen einen Energiegewinn bis in den Gammastrahlenbereich erhalten, genannt der „Synchrotron-Selbst-Compton Prozess“. Die Beobachtungen von GRB 190829A ergaben nun aber, dass das Nachglühen im Röntgen- und Gammastrahlenbereich synchron erfolgte.

Mehr noch, das Gammastrahlenspektrum liegt auf der Extrapolationslinie des Röntgenspektrums. „Dies ist ein starker Hinweis, dass die Gammastrahlen durch denselben Mechanismus erzeugt worden sind, wie die Röntgenstrahlung,“ erklärt Theoretikerin Assoz.-Prof. Anita Reimer aus der H.E.S.S.-Arbeitsgruppe an der Universität Innsbruck. Dies stellt in Frage, dass die hochenergetischen Photonen durch den Synchrotron-Selbst-Compton-Mechanismus erzeugt werden. Andererseits existiert eine maximale Energiegrenze, die relativistische Elektronen durch Beschleunigung in magnetisierten Umgebungen erreichen können. Die Produktion der beobachteten Tera-Elektronenvolt-Photonen durch den Synchrotronprozess benötigt Elektronen, die dieses „burn-off“-Limit verletzen.

Weitere Beobachtungen nötig
Die vorliegenden Beobachtungen des H.E.S.S.-Teams haben weitreichende Konsequenzen für das theoretisches Verständnis dieser gewaltigen Explosionen im Universum, und es sind weitere Studien von Gammastrahlenausbrüchen bei sehr hohen Energien nötig. GRB 190829A ist erst der vierte Gammastrahlenausbruch, der durch Cherenkov-Teleskope detektiert worden ist. „Mit verbesserten Instrumenten, wie dem in Bau befindlichen Cherenkov-Telescope-Array (CTA), und ausgeklügelten Beobachtungsstrategien wird die Rate der GRB-Detektionen steigen und damit das Potential, dieses Superlativ einer kosmischen Explosionen besser zu verstehen“, vermutet Prof. Olaf Reimer, der die österreichische Beteiligung an der Vorbereitung und dem Bau des neuen Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums CTA koordiniert.

Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt, der von 1931 bis 1937 als Professor an der Universität Innsbruck tätig war. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben. Seit 2009 ist auch Österreich Mitglied dieses Forschungskonsortiums.

Publikation:
Revealing x-ray and gamma-ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow. H.E.S.S. collaboration. Science 2021 DOI: 10.1126/science.abe8560

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: FAU.

Dunkle Materie – aus diesem rätselhaften Stoff, der weder Licht aussendet noch absorbiert, – besteht mehr als 85 Prozent der Materie im Universum. Was dahinter steckt, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit mit bodengestützten und weltraumgestützten Experimenten. Die meisten Theorien gehen davon aus, dass dunkle Materie aus noch unentdeckten Elementarteilchen besteht. Eine neue Studie von Dr. Manuel Meyer vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der FAU und Dr. Tanja Petrushevska vom Zentrum für Astrophysik und Kosmologie der Universität Nova Gorica zeigt nun, dass Forschende auch Supernovas nutzen können, um nach einer bestimmten Klasse von Teilchen der dunklen Materie zu suchen.

Die beiden Wissenschaftler haben dafür erstmals Daten des Fermi Large Area Telescopes (LAT) an Bord eines NASA-Satelliten mit Daten herkömmlicher optischer Teleskope zur Erforschung von Supernovae außerhalb unserer Milchstraße korreliert – und können dadurch Vorhersagen für das Zeitfenster einer Explosion von Sternen treffen. Blickt das LAT zum Zeitpunkt der Explosion auf die richtige Stelle am Himmel, bringt das auch Licht in die Erforschung dunkler Materie und neue Antworten in der Grundlagenphysik.

Die Ergebnisse haben die Forschenden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.231101).

Onlinezugriff auf die Studie:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.231101
https://arxiv.org/abs/2006.06722

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• Dunkle Materie

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Quelle: TU Dortmund.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der MAGIC-Kollaboration haben erstmals mit bodengebundenen Teleskopen höchstenergetische Strahlung von einem Gammastrahlenausbruch nachgewiesen. Damit gelang der Beweis physikalischer Theorien. An der Entdeckung waren auch Forscherinnen und Forscher der TU Dortmund maßgeblich beteiligt. Über ihre Erkenntnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der angesehenen Fachzeitschrift Nature.

Gammastrahlenausbrüche (GRBs) sind rätselhafte kurze, aber helle Ereignisse, die etwa einmal pro Tag plötzlich am Himmel erscheinen. Man nimmt an, dass einige davon das Ergebnis der Explosion massereicher Sterne am Ende ihres Lebens sind – und damit sozusagen die Geburtsschreie von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Sie zeichnen sich durch einen anfänglich sehr hellen Blitz aus, der als prompte Emission bezeichnet wird und dessen Dauer zwischen einem Bruchteil einer Sekunde und Hunderten von Sekunden liegt. Darauf folgt das sogenannte Nachleuchten, eine schwächere, aber etwas länger anhaltende Lichtemission über einen weiten Wellenlängenbereich, die mit der Zeit verblasst. Die MAGIC–Teleskope haben nun die höchstenergetischen jemals von der Explosion massereicher Sterne empfangenen Photonen – also das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht – nachgewiesen.

Dieser Durchbruch liefert entscheidende neue Erkenntnisse für das Verständnis der immer noch rätselhaften physikalischen Prozesse, die für die GRBs verantwortlich sind. Am 14. Januar 2019 wurde ein GRB von zwei Satellitenobservatorien entdeckt: dem Neil-Gehrels-Swift-Observatorium und dem Fermi Weltraumteleskop der NASA. Das Ereignis erhielt nach dem Entdeckungsdatum den Namen GRB 190114C. Innerhalb von 22 Sekunden wurden die Koordinaten des Gammastrahlenausbruchs am Himmel als elektronischer Alarm an Astronomen weltweit verteilt, darunter an die MAGIC-Kollaboration, die zwei Gammastrahlen-Teleskope mit einem Durchmesser von 17 Metern auf La Palma, Spanien, betreibt. Da GRBs an unvorhersehbaren Stellen am Himmel erscheinen und dann schnell verblassen, erfordert ihre Beobachtung durch so große Teleskope wie MAGIC eine ausgefeilte Strategie.

„Ein automatisches System verarbeitet in Echtzeit die GRB-Warnungen von Satelliteninstrumenten und lässt die MAGIC-Teleskope schnell auf die Himmelsposition des GRB umschwenken“, sagt Prof. Wolfgang Rhode von der TU Dortmund. Die Teleskope wurden extra für die Jagd nach GRBs so konzipiert, dass sie sehr leicht und daher schnell drehbar sind: Trotz des Gewichts von je 64 Tonnen können sie sich in nur etwa 25 Sekunden um 180 Grad drehen. Daher konnte MAGIC im Fall von GRB 190114C die Beobachtung nur 50 Sekunden nach Beginn des GRB starten.

Die Analyse der Daten für die ersten zehn Sekunden zeigt, dass die Emission von Photonen des Nachleuchtens bis zu Energien reicht, die Billionen Mal größer sind als die des sichtbaren Lichts. Während dieser Zeit war GRB 190114C in diesem Energiebereich das mit Abstand hellste Objekt am gesamten Himmel. Wie bei GRB-Nachleuchten erwartet, verblasste die Emission. Die letzten Photonen von dem Objekt wurden eine halbe Stunde später von MAGIC gesehen.

Die Dortmunder Arbeitsgruppe ist insbesondere auf schnelle und effiziente Analysen und auf das Erstellen der für die Auswertung der Daten notwendigen Simulationen spezialisiert. Dies zahlte sich aus, denn nach sorgfältiger Überprüfung der Daten konnten die MAGIC-Resultate bereits wenige Stunden nach dem Ereignis der weltweiten Forschungsgemeinschaft mitgeteilt werden. Dies ermöglichte eine umfangreiche Kampagne von Nachbeobachtungen des GRB 190114C durch mehr als zwei Dutzend Observatorien oder Instrumente. Diese lieferten ein vollständiges Bild dieses GRB vom Radiobereich bis zur Gammastrahlung. Insbesondere optische Beobachtungen erlaubten eine Messung der Entfernung zum GRB 190114C. Sie beträgt rund fünf Milliarden Lichtjahre.

Photonen mit der höchsten Energie aus einem neu entdeckten Emissionsprozess
Obwohl die Hochenergie-Emission im Nachleuchten des GRBs in einigen theoretischen Studien vorhergesagt worden war, gestaltete sich die Jagd danach sehr schwierig und erforderte einen jahrelangen Prozess der stetigen Verbesserung der Strategien und der Effizienz der MAGIC-Teleskope. Der wissenschaftliche Lohn dieser geduldigen Arbeit ist jedoch beträchtlich: „Unsere Messungen legen nahe, dass die Hochenergie-Gammastrahlung des Nachleuchtens möglicherweise von einem anderen Prozess stammt als die Emission bei niedrigeren Energien“, erklärt Dr. Dominik Elsässer, der ebenfalls an der TU Dortmund an MAGIC beteiligt ist. „Wir vermuten, dass energiereiche Elektronen ihre Energie durch die sogenannte inverse Compton–Streuung auf Photonen übertragen und so die von MAGIC gemessene Leuchtkraft entsteht. Um diesen Verdacht zu erhärten oder aber zu entkräften, benötigen wir Beobachtungen, die über den elektromagnetischen Spektralbereich hinausgehen.“

So bleiben also auch nach mehr als 50 Jahren seit ihrer Entdeckung viele Rätsel der GRBs weiterhin ungelöst. Dies gilt insbesondere für die Frage, ob einige von ihnen auch energiereiche Neutrinos erzeugen. Das sind jene geisterhaften Elementarteilchen, nach denen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Wolfgang Rhode mit dem IceCube-Detektor am Südpol der Erde fahnden. „Die MAGIC–Resultate ermutigen uns, die Methoden weiter zu verfeinern und die Experimente auszubauen. Durch die Fortsetzung der für solche internationalen Forschungsprojekte sehr wichtigen Unterstützung des Landes NRW und des Bundes hoffen wir, den Weg für ein viel tieferes Verständnis dieser faszinierenden kosmischen Explosionen ebnen zu können“, schließt Rhode.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: EXA, NASA.

Am 30. April 2013 gab die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) bekannt, dass es notwendig geworden war, das 2008 gestartete Gammastrahlen-Teleskop Fermi im Weltraum auf Abstand zu einem Stück Weltraumschrott zu bringen, welches die Bahn des Teleskops kreuzte.

Die Fermi-Projektwissenschaftlerin Julie McEnery erhielt am 29. März 2013 eine routinemäßige E-Mail, die einen Hinweis auf eine möglicherweise gefährliche Begegnung zwischen dem US-amerikanischen Raumfahrzeug und dem ausgedienten sowjetischen Satelliten Kosmos 1805 enthielt. Kosmos 1805 kreist seit dem Start auf einer Zyklon-3-Rakete am 10. Dezember 1986 um die Erde. Der mit der NORAD-Nr. 17.191 und als COSPAR-Objekt 1986-097A katalogisierte Satellit vom Typ Tselina-D hatte die Aufgabe, Radiosignale verschiedener Einrichtungen, Anlagen und Einheiten abzufangen, er diente also der militärischen Funkaufklärung.

Eine Arbeitsgruppe am Goddard-Raumflugzentrum (GSFC) in Greenbelt im US-amerikanischen Bundesstaat Maryland betreibt einen automatisierten Dienst, der Begegnungen von Raumfahrzeugen im Weltraum vorausberechnet und entsprechende Risikoabschätzungen liefert. Die Daten des CARA für Conjunction Assessment Risk Analysis genannten Dienstes wiesen Ende März darauf hin, dass es in Wochenabstand zu einer ungewöhnlich nahen Begegnung zwischen Fermi und Kosmos 1805 kommen würde.

Ohne vorherige Bahnänderung eines der Raumflugkörper könnten sie sich am 4. April 2013 auf vorausberechnete rund 213 Meter annähern – ein Abstand, der wegen der Unsicherheiten in den Berechnungen berechtigten Anlass zur Sorge bot. Eric Stoneking vom GSFC vergleicht die Ermittlung des voraussichtlich Vorbeiflugabstands mit dem Versuch, Regen an einem konkreten Ort zu einer ganz bestimmten Zeit in Wochenabstand exakt vorherzusagen.

Die relative Geschwindigkeit bei der direkten Begegnung der beiden Objekte würde rund 43.450 km/h betragen. Kollidierte Fermi mit seiner Startmasse von rund 4,3 Tonnen direkt mit dem auf rund 1,4 Tonnen taxierten Kosmos 1.805, würde eine Energie frei, wie bei einer Explosion von 2,5 Tonnen hochwirksamen Sprengstoffs. Unmittelbare Folge: Vollständige Zerstörung beider Erdtrabanten. Nachteilige Folgenerscheinung: Neue Trümmerwolken, die wiederum andere um die Erde kreisende Objekt bedrohen.

Was war zu tun? Der ausgediente Sowjetsatellit würde seine Bahn nicht ändern, also lag es am aktiven Raumfahrzeug Fermi, seinen Orbit so anzupassen, dass ein ausreichender Sicherheitsabstand erreicht wird. Julie McEnery informierte deshalb die Fermi-Arbeitsgruppe für Flugdynamik.

Vor zwei vorangegangenen Begegnungen zwischen Fermi und Kosmos 1805 war man sich jeweils sicher, dass sie mit ausreichendem Abstand erfolgen würden. Nun aber mussten die Flugdynamiker ein Ausweichmanöver planen. An Bord von Fermi gibt es Triebwerke, deren Vorhandensein sich aus dem Willen erklärt, dass Fermi niemals eine Bedrohung für andere Raumfahrzuge darstellen darf, und deshalb zum Einsatz kommen sollen, um Fermi nach Beendigung der wissenschaftlichen Aufgaben gezielt in die Erdatmosphäre wieder eintreten zu lassen und den Satelliten dadurch zu zerstören. Diese Triebwerke waren der Schlüssel für ein erfolgreiches Ausweichmanöver.

Die CARA-Arbeitsgruppe und Experten eines Raumflugzentrums auf der Luftwaffenbasis Vandenberg (Joint Space Operations Center, JSpOC) berechneten, wie groß der Impuls sein müsste, um für Fermi sichere Verhältnisse zu schaffen, und gleichzeitig zu gewährleisten, dass das Weltraumteleskop auf seiner neuen Bahn nicht sofort einem anderen Objekt zu nahe kommen würde. Außerdem wurden geeignete Zeitpunkte für das Manöver und vielleicht erforderliche zusätzliche Triebwerkszündungen festgelegt.

Da das Antriebssystem zum Deorbiting eigentlich nicht im Verlauf der wissenschaftlichen Mission von Fermi benutzt werden sollte, war man angesichts der Tatsache, dass nun brennbare Flüssigkeiten durch vorher nie benützte Rohrleitungen strömen sollten, einigermaßen nervös, berichtete McEnery. Doch es ging alles gut.

Am 3. April 2013 stellte Fermi vor der Triebwerkszündung die Himmelbeobachtung ein. Die beiden Solarzellenausleger, die für eine Spannweite von rund 15 Metern sorgen, wurden in geeignete Parkpositionen gefahren und die Hochgewinnantenne eingeklappt. Das Antriebssystem an Bord arbeitete dann seiner Konstruktion entsprechend. Sämtliche Schubdüsen des Systems gaben einen eine Sekunde dauernden Schubstoß ab, was ausreichte, um die voraussichtliche Vorbeiflugdistanz auf rund 9,6 Kilometer anzuheben.

Wenig später nahm Fermi den Beobachtungsbetrieb wieder auf. Die Begegnung mit dem alten sowjetischen Satelliten, der nicht mit Einrichtungen zu seiner Entsorgung ausgestattet worden war, war überstanden. Für künftig notwendige Ausweichmanöver von Fermi ist man bei der NASA jetzt besser gewappnet als jemals zuvor.

Die Betreiber des Nanosatelliten NEE-01 PEGASO hatten keine Möglichkeit, seine Bahn nach einem Hinweis des JSpOC auf eine mögliche Kollision aktiv zu beeinflussen. Der Satellit der zivilen Ecuadorianischen Raumfahrtagentur (EXA) mit einer Masse von nur etwas über 1,2 Kilogramm war erst am 26. April 2013 auf einer chinesischen Trägerrakete des Typs Langer Marsch 2D in den Weltraum gelangt.

Der kosmische Winzling mit einer würfelförmigen, von Solarzellen bedeckten Grundstruktur (Kantenlänge rund 10 Zentimeter) und zwei kleinen Auslegern mit Solarzellen (Spannweite rund 76 Zentimeter) hatte am 16. Mai 2013 ein erstes Live-Video mit Ton zur Erde gesendet. Am 22. Mai 2013 begegnete der Satellit nach Angaben der EXA einer ausgebrannten, ramponierten Raketenstufe einer sowjetischen, 1985 gestarteten Zyklon-3-Rakete, die mutmaßlich von allerlei Partikeln begleitet werde, und unnütz um die Erde kreist. Die Stufe ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 15.890 und als COSPAR-Objekt 1985-058B, und diente dem Transport von Kosmos 1666, wie Kosmos 1805 ein militärischer Funkaufklärer.

Obwohl es nach Angaben des US-amerikanischen Kommandos für Weltraumüberwachung keine unmittelbare Kollision zwischen der Raketenstufe und PEGASO gab, hat der Satellit laut EXA seine korrekte Fluglage eingebüßt. Die EXA bestätigte gegenüber Raumfahrer.net am 28. März 2013 wildes Taumeln des Satelliten und gestörte Systeme an Bord. Einen Zusammenstoß mit mindestens einem der die Raketenstufe begleitenden Weltraumschrott-Teilen nimmt die EXA an.

In ihrem Webauftritt berichtete die EXA am 23. März 2013, dass es nicht möglich sei, Daten vom Satelliten zu empfangen und Kommandos an ihn abzusetzen. Der Transceiver an Bord von PEGASO arbeite, Daten von PEGASO könnten aber der wegen des Taumelns nicht ausgerichteten Antenne des Satelliten am Boden nicht dekodiert werden.

Die EXA hofft dennoch, den unter anderem mit einer hochauflösenden Videokamera und einem Fernsehsender ausgestatteten Satelliten nach dem unterstellten direkten Debris-Treffer wieder unter Kontrolle zu bekommen, erläuterte ein Mitarbeiter der EXA Raumfahrer.net.

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Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: LPI. Vertont von Peter Rittinger.

Gammastrahlung ist die höchstenergetische elektromagnetische Strahlung überhaupt. Im Allgemeinen wird sie im Wesentlichen von der Atmosphäre der Erde aufgehalten, so dass sie von der Erde aus kaum direkt zu beobachten ist. Für die Erforschung dieser Strahlung ist man also auf den Einsatz von Weltraumteleskopen angewiesen. Die ersten astronomischen Beobachtungen in diesem Bereich geschahen eher aus Zufall – militärische Satelliten wurden gebaut, um Gammastrahlen aufspüren, die bei Atomwaffentests entsteht. Später wurden dann die ersten speziellen Gammateleskope gebaut.

Aktuell sind mit dem italienischen AGILE und dem amerikanischen Fermi zwei allgemein einsetzbare Gammateleskope im All. Zudem gibt es mit Swift einen Satelliten, der speziell auf die Untersuchung von Gamma-Blitzen ausgelegt ist. Diese sogenannten GRB (Gamma Ray Bursts) entstehen vermutlich vor allem bei Supernova-Explosionen und sind ein sehr gut geeignetes Mittel, um Supernovae oder sonstige extrem hochenergetische Vorgänge aufzuspüren. Diesen Satelliten gemeinsam ist jedoch, dass sie in einigen Jahren das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben werden – es wird also Zeit, einen Nachfolger zu entwickeln.

Dieser könnte Gamma 400 werden. Unter Führung des Physikalischen Lebedew-Instituts der Russischen Akademie der Wissenschaften wird an diesem neuen Satelliten gearbeitet, der im Grundentwurf stark dem Fermi-Satelliten gleicht. Im Vergleich zu den bisher eingesetzten Teleskopen wird sich dieses durch eine bisher unerreichte Präzision sowie einen großen Energiebereich auszeichnen. Gammastrahlung kann aufgrund ihrer Eigenschaften nicht durch klassische Optiken umgelenkt werden – stattdessen muss man darauf hoffen, dass einzelne Gamma-Photonen mit dem Material reagieren. Wenn dies geschieht, kann man mit einem aus vielen Detektorlagen bestehenden Aufbau bestimmen, welche Energie das Photon besitzt und aus welcher Richtung es kommt.

Das abbildende Kalorimeter – das Hauptinstrument von Gamma 400 – kann ein Fünftel des gesamten Himmels auf einmal beobachten. Um die Richtung zu bestimmen, werden Detektorstreifen aus Silizium verwendet. Für die Messung der Energie sollen drei Detektormaterialien verwendet werden: Silizium, Bismutgermanat sowie Cäsiumiodid. Dieser Aufbau erlaubt es, Gammastrahlung im Bereich von 0,1 bis 3.000 Gigaelektronenvolt zu messen (zum Vergleich Fermi: 0,1 bis 300), die Genauigkeit der Energiemessung soll bei etwa 1% liegen (Fermi: 10%). Die Richtung, aus der die Strahlung kommt, soll von Gamma 400 auf 0,01° exakt bestimmt werden, was einen absoluten Bestwert für ein Gammateleskop darstellen wird (Fermi: 0,1°). Zudem wird Gamma 400 als erstes Gammateleskop nebenbei auch noch hochenergetische Teilchenstrahlung erfassen können, und damit auch im Bereich von Instrumenten wie dem AMS auf der Internationalen Raumstation arbeiten.

Insgesamt soll Gamma 400 eine Masse von 2.600 kg besitzen und eine Leistungsaufnahme von 2.000 W aufweisen. Pro Tag soll der Satellit eine Datenmenge von 100 Gigabyte (Fermi: 20 GB) produzieren, die von Wissenschaftlern auf der Erde ausgewertet werden müssen. Während der Mission soll sich Gamma 400 in einer Erdumlaufbahn in rund 100.000 km Entfernung befinden und damit weit außerhalb des irdischen Strahlungsgürtels. Wie bei weiteren russischen Weltraumteleskopen (als erstes davon befindet sich Spektr-R/RadioAstron bereits im Einsatz) auch soll dieser Satellit auf Basis des Navigator-Satellitenbusses entstehen.

Neben dem Hauptinstrument befindet sich an Bord auch noch ein Detektor namens Konus-FG für Gammablitze, der den ganzen Himmel abdecken kann. Ein Vorgänger dafür soll unter dem Namen Konus-M bereits nächstes Jahr auf einem russischen Kleinsatelliten (MKA-PN2) starten. Auch Fermi besitzt ein vergleichbares System. Solche kleinen Detektoren bieten nur eine sehr begrenzte räumliche und energetische Auflösung der Strahlung, reichen aber völlig aus, um den Himmelsbereich zu bestimmen, in dem man die jeweilige Quelle mit anderen Teleskopen beobachten kann.

Ein primäres Ziel ist die Erforschung der dunklen Materie. Vermutlich handelt es sich dabei um nur schwach wechselwirkende, massive Elementarteilchen. Wenn diese doch einmal interagieren, entsteht dabei aufgrund ihrer hohen Masse vermutlich Gammastrahlung. Beobachtungen mit höchster Präzision lassen vermutlich Rückschlüsse darauf zu, auf welchem Weg die Gammastrahlung entsteht und auch auf ihre räumliche Verteilung. Somit kann Gamma 400 möglicherweise eine Art Landkarte der dunklen Materie erstellen.

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• Russische Weltraumteleskope: Die Spektr-Serie

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, NASA.

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.

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.

„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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• Gamma Ray Bursts (GRBs)
• Weltraumteleskop Fermi (ehemals GLAST)

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Ein Beitrag von Gertrud Felber und Günther Glatzel. Quelle: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Diese schwachen Jets werden als geisterhaft bezeichnet und sind eine Nachwirkung von Ereignissen die Jahrmillionen zurückliegen. Sie untermauern Argumente für einen aktiven galaktischen Kern in der relativ jüngeren Vergangenheit der Milchstraße. Die beiden Strahlen, oder Jets, erstrecken sich vom galaktischen Zentrum aus bis in eine Entfernung von 27.000 Lichtjahren oberhalb und unterhalb der galaktischen Ebene. Sie sind die ersten derartigen Gamma-Ray-Jets die jemals gefunden wurden, und die einzigen, die nahe genug sind, um mit Fermi erkannt zu werden.

Die neu entdeckten Strahlen sind Strukturen innerhalb der mysteriösen Gammastrahlen-Blasen, die Fermi im Jahr 2010 erkannt hatte. Diese Blasen dehnen sich auch etwa 27.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße aus, allerdings genau senkrecht zur galaktischen Ebene. Die Gammastrahlen-Jets sind dagegen in einem Winkel von 15 Grad gegen diese Senkrechte geneigt. Dies könnte mit einer Neigung der Akkretionsscheibe um das Supermassive Schwarze Loch (SSL) im Zentrum unserer Galaxie zusammenhängen.

Die beiden Strukturen sind unterschiedlich geformt. Die Jets wurden produziert und verstärkt, wenn Plasma aus dem galaktischen Zentrum spritzte. Sie werden von einem Korkenzieher-ähnliches Magnetfeld eng fokussiert. Die Gammastrahlen-Blasen hingegen wurden wahrscheinlich von einem „Wind“ aus heißer Materie, der von der Akkretionsscheibe ausgeht, also aus der Umgebung des Supermassiven Schwarzen Loches gespeist. Deshalb sind sie viel breiter als die schmalen Strahlen. Beide aber legen nahe, dass unser galaktisches Zentrum in der Vergangenheit sehr viel aktiver als heute war.

Sowohl Jets als auch Blasen werden von inverser Compton-Streuung im Gammastrahlungsbereich illuminiert und dadurch für Fermi sichtbar. Bei diesem Prozess treffen schnelle Elektronen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, auf energiearme Strahlung wie Radiowellen oder infrarotes Licht. Dabei übernehmen die Strahlungs-Photonen Energie von den Elektronen und werden dadurch zu Gamma-Quanten.

Die Entdeckung lässt allerdings offen, wann das SSL zuletzt aktiv war. Douglas Finkbeiner, Co-Autor unter Meng Su, sagte dazu: „Diese Jets flackerten wahrscheinlich immer wieder auf, wenn das Schwarze Loch Materie portionsweise aufnahm“. Für eine erneute aktive Phase des Kerns unserer Galaxie wäre seiner Meinung nach Material von etwa 10.000 Sonnenmassen erforderlich.

Das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ist ein gemeinsames Projekt von Smithsonian Astrophysical Observatory und Harvard College Observatory mit Hauptsitz in Cambridge (Massachussetts, USA). Die Wissenschaftler arbeiten auf unterschiedlichen Gebieten der Astronomie und erforschen Ursprung, Entwicklung und das Schicksal des Universums (ultimate fate of the universe).

Das Gammastrahlenteleskop Fermi (ehemals GLAST für Gamma-ray Large Area Space Telescope) wurde am 11. Juni 2008 gestartet und verfügt über zwei Hauptinstrumente zur großflächigen Erfassung kosmischer Gammastrahlung sowie zur Detektion kurzzeitiger Gammastrahlenausbrüche (Gamma Ray Bursts). Am Teleskop beteiligt sind Organisationen aus den USA, aus Frankreich, Deutschland, Italien, Japan und Schweden.

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• Sagittarius A – Milchstraßenzentrum

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: space.com/raumfahrer.net. Vertont von Peter Rittinger.

Wissenschaftler vom Fermi National Accelerator Laboratory und von der New York University haben aus den frei zugänglichen Daten des Fermi-Teleskopes die Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum unserer Milchstraße genauer untersucht. Eine offizielle Auswertung der Daten durch das Fermi-Team steht noch aus. Dieser zentrale Punkt wird auch als Massenzentrum unserer Milchstraße bezeichnet. Es liegt im Sternbild Schütze, wo auch das sichtbare Band der Milchstraße am dichtesten erscheint. Das galaktische Zentrum enthält das nächste uns bekannte supermassereiche Schwarze Loch und zeigt andere ungewöhnliche astrophysikalische Phänomene. Denn exakt in diesem Bereich ist die Dichte der Dunklen Materie am höchsten und somit auch die Zerfallsrate der Teilchen der Dunklen Materie.

Erste Hinweise auf Gammastrahlung durch den Zerfall dieser seltsamen Materie hatte bereits das Spektrometer SPI im Weltraumteleskop Integral geliefert. Die damals festgestellte Strahlung wurde aber falsch interpretiert und dann nicht weiter untersucht.

Die Frage, warum man explizit dort solch eine intensiver Strahlung vorfindet erklären die Experten jetzt damit, dass dies dem Zerfall von Teilchen mit einer Masse im Bereich von 7,3 bis 9,2 GeV (Gigaelektronenvolt) zuzurechnen ist. Diese Strahlungskomponente, die sich nicht auf herkömmliche Weise erklären lässt, zeigt sich im innersten Bereich, etwa 570 Lichtjahren um den Mittelpunkt der Milchstraße. Und dies bedeutet für die Experten, dass es sich hierbei zweifelsfrei um den Zerfall von Teilchen der mysteriösen Dunklen Materie handelt. Die Masse der zerfallenden Partikel schätzen die Wissenschaftler auf etwa das Achtfache der Protonenmasse. Dieser Wert liegt im Bereich sogenannter WIMPs. Befürworter der Dunklen-Materie-Theorie zählen diese schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen zu den wichtigsten Kandidaten um das kosmologische Problem der Anteile von Materie im Weltraum zu lösen.

Somit wäre auch der Beweis erbracht, dass es die bisher noch nicht nachgewiesene Materieart doch gibt. Diese hypothetische Form von Materie, die zu wenig sichtbares Licht oder andere elektromagnetische Strahlung aussendet oder reflektiert, um direkt beobachtbar zu sein, wird ja nicht von allen Wissenschaftlern anerkannt. Für sie ist die Zusammensetzung der Dunklen Materie nicht schlüssig und deshalb nicht existent. Und der Gelehrtenstreit hört somit nicht auf, denn jede Partei reklamiert für sich den Alleinerklärungsanspruch.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

Das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi hatte seit seinem Start am 11. Juni 2008 als GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) 16 der bei der Analyse berücksichtigten Pulsare entdeckt. Fermi ist das erste Raumfahrzeug, das in der Lage ist, Pulsare allein anhand ihrer Gammastrahlenemission auszumachen.

Die von Fermi gefundenen Pulsare wurden im Rahmen einer ausgedehnten Suche nach periodischen Fluktuationen von Gammastrahlung entdeckt, Daten aus fünf Beobachtungsmonaten wurden unter Zuhilfenahme von neuartigen Computerberechnungsmethoden ausgewertet.

Vor dem Start von Fermi hatte man noch geglaubt, das Weltraumteleskop werde im Laufe seiner Mission etwa eine Handvoll neue Pulsare finden, nun wurden schon in den ersten fünf Monaten 16 neue Pulsare entdeckt, was alle ursprünglichen Erwartungen übertrifft.

Ein Pulsar ist der übriggebliebene Kern eines explodierten Sternes, rotiert sehr schnell und weist ein sehr starkes Magnetfeld auf. Die meisten der bisher entdeckten rund 1.800 Pulsare wurden aufgrund ihrer periodischen Aussendung von Radionstrahlung entdeckt, die, wie man, glaubt, aus dem Bereich der magnetischen Pole der Pulsare kommt.

Während die von einem Pulsar ausgesandte Gammastrahlung rund 10 Prozent oder mehr der abgestrahlten Gesamtenergie ausmacht, stellt die Radiostrahlung nur einige wenige Millionenstel der abgestrahlten Gesamtenergie dar. Eine Radioteleskop auf der Erde kann einen Pulsar anhand seiner Radiowellenemission nur dann ausmachen, wenn der stark gebündelte Strahl gerade über die Erde streicht.

Der Pulsar Vela (PSR B0833-45 bzw. PSR J0835-4510) mit etwa 11 Umdrehungen pro Sekunde ist die stärkste Quelle von Gammastrahlung am Himmel. Trotzdem erreicht nur ein sehr geringer Anteil dieser Strahlung die Erde und ihre Satelliten. Fermis Large Area Telescope (LAT) sieht nur etwa alle zwei Minuten ein einzelnes Gamma-Photon von Vela.

Etwa alle tausend Rotationen von Vela erreicht also ein Gamma-Photon das LAT. Von den im Rahmen der Studien untersuchten Pulsaren sind die Schwächsten solche, von denen nur zwei Gamma-Photonen am Tag empfangen werden.

Fermi konnte aufklären, dass auch Pulsare mit Rotationsperioden im Bereich von Millisekunden Gammastrahlung aussenden können. Man geht nun davon aus, dass bei normalen Pulsaren und Millisekundenpulsaren trotz aller Unterschiede der gleiche Zusammenhang für die Abgabe der Gammastrahlung verantwortlich ist.

Die Strahlungsabgabe eines Pulsars führt zu einer allmählichen Reduzierung der Rotationsgeschwindigkeit, was letztlich zum Verlust des für einen Pulsar charakteristischen Abstrahlverhaltens führt. Im Radiowellenbereich bereits beobachtete Pulsare, die durch Materiezugewinn durch von einem nahen zweiten Objekt abgezogenes Material wieder ausreichende Rotationsgeschwindigkeit erreichten, waren auch für Fermi im Gammastrahlenbereich sichtbar.

Raumcon Astronomie:

• Weltraumteleskop Fermi (ehemals GLAST)

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