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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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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