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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• Schwarze Löcher
• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: Universität Potsdam 20. Dezember 2023.

20. Dezember 2023 – Es gelang zum ersten Mal, die abgestrahlten Gravitationswellen, die Kilonova und das Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs der am 17. August 2017 beobachteten Verschmelzung zweier Neutronensterne parallel zu modellieren und zu interpretieren.

Die Studie und die dafür entwickelte Code-Infrastruktur liefern präzise Hinweise auf die Eigenschaften der Kernmaterie und bilden die Grundlage für die Analyse zukünftiger Ereignisse. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Unsere neue Methode wird dabei helfen, die Eigenschaften von Materie bei extremen Dichten zu untersuchen. Außerdem ermöglicht sie ein genaueres Verständnis davon, wie sich das Universum ausdehnt, und von der Art und Weise, wie und in welchem Ausmaß die schweren Elemente bei Neutronensternkollisionen entstehen“, erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Dietrich ist als korrespondierender Autor an der Veröffentlichung beteiligt.

Ein Neutronenstern ist ein extrem dichtes astrophysikalisches Objekt, das am Ende der Lebensdauer massereicher Sterne bei einer Supernova-Explosion entsteht. Ähnlich wie andere kompakte Objekte kreisen einige Neutronensterne in Doppelsternsystemen umeinander. Durch das kontinuierliche Aussenden von Gravitationswellen – kleinen Störungen im Gefüge der Raumzeit – verlieren sie Energie und stoßen schließlich zusammen. Solche Verschmelzungen ermöglichen es den Forschenden, physikalische Prinzipien unter den extremsten Bedingungen im Universum zu untersuchen. So führen die Bedingungen dieser hochenergetischen Kollisionen zur Entstehung schwerer Elemente, wie z. B. Gold. Verschmelzende Neutronensterne sind tatsächlich einzigartige Untersuchungsobjekte, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten zu erforschen, die weit über denen von Atomkernen liegen.

Die neue Methode wurde auf die erste und bisher einzige Beobachtung eines verschmelzenden Doppel-Neutronensternsystems angewandt. Bei dieser am 17. August 2017 entdeckten Verschmelzung hatten die letzten paar tausend Umläufe der Sterne umeinander die Raumzeit so stark verwirbelt, dass Gravitationswellen entstanden, die von den terrestrischen Gravitationswellenobservatorien Advanced LIGO und Advanced Virgo nachgewiesen wurden. Bei der Verschmelzung der beiden Sterne wurden neu gebildete schwere Elemente ausgestoßen. Ein Teil dieser Elemente zerfiel radioaktiv, was zu einem Anstieg der Temperatur führte. Ausgelöst durch diese thermische Strahlung war bis zu zwei Wochen nach der Kollision ein elektromagnetisches Signal im optischen, infraroten und ultravioletten Bereich zu beobachten. Außerdem wurde zusätzliches Material durch einen Gammablitz ausgestoßen, ebenfalls ausgelöst durch die Kollision der Neutronensterne. Durch die Reaktion der Neutronensternmaterie mit dem umgebenden Medium wurden Röntgen- und Radiostrahlen erzeugt, die auf einer Zeitskala von Tagen bis zu Jahren beobachtet werden konnten.

Das neue Tool zur simultanen Auswertung astrophysikalischer Daten aus verschiedenen Quellen ermöglicht es den Forschenden, alle diese Signale gleichzeitig zu interpretieren. Zusätzlich können Informationen aus Radio- und Röntgenbeobachtungen von Neutronensternen (z. B. vom NICER-Teleskop der NASA), kernphysikalische Berechnungen und sogar Daten aus Schwerionenkollisionsexperimenten an erdgebundenen Beschleunigern miteinbezogen werden. „Wir können nun über den bisher üblichen schrittweisen Kombinationsprozess hinausgehen. Indem wir die Daten zusammenhängend und gleichzeitig analysieren, erhalten wir präzisere Ergebnisse“, sagt Peter T. H. Pang, Wissenschaftler an der Universität Utrecht, Erstautor der Publikation und Hauptentwickler des Codes. Um die neue Software in den kommenden Jahren weiterzuentwickeln, wurde Dietrich 2022 mit einem European Research Council (ERC) Starting Grant in Höhe von 1,5 Millionen Euro ausgezeichnet.

Derzeit führen die Gravitationswellen-Detektoren ihren vierten wissenschaftlichen Beobachtungslauf durch. Die nächste Entdeckung einer Verschmelzung von Neutronensternen könnte täglich erfolgen, und die Forschenden stehen in den Startlöchern, das von ihnen entwickelte Werkzeug erneut einsetzen zu können.

Publikation:
Peter T. H. Pang, Tim Dietrich, Michael W. Coughlin et al.,
An updated nuclear-physics and multi-messenger astrophysics framework for binary neutron star mergers,
2023, Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-023-43932-6

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: AIP 28. März 2023.

28. März 2023 – Die Ergebnisse verbessern erheblich das Verständnis massereicher Sterne und ihre Rolle als Vorläufer von Supernovaexplosionen.

Blaue, sogenannte O-Typ-Sterne gehören zu den massereichsten Sternen in unserem Universum mit einer Masse von mehr als dem 18-fachen unserer Sonne. Zwar sind sie selten, aber so heiß und leuchtstark, dass vier der 90 hellsten von der Erde aus sichtbaren Sterne zu dieser Kategorie gehören. Sie sind von außerordentlicher Bedeutung, weil sie energiereiche physikalische Prozesse in Gang setzen, die die Struktur ganzer Galaxien beeinflussen und die Regionen zwischen den Sternen chemisch anreichern. In diesen Bereichen mit aktiver Sternentstehung, wie den Spiralarmen einer Galaxie, oder in Galaxien, die gerade kollidieren oder verschmelzen, findet man normalerweise O-Typ-Sterne. Solche massereichen Sterne sind für magnetische Studien von besonderem Interesse, da sie ihre Entwicklung explosionsartig als Supernova beenden und ein kompaktes Objekt wie einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch als Überrest hinterlassen.

Doppelsterne sind Systeme aus zwei Sternen, die durch die Schwerkraft aneinander gebunden sind und sich gegenseitig umkreisen. Wenn beide Komponenten Sterne vom Typ O sind, kann das Doppelsternsystem zu einem kompakten Objekt werden. Am Ende ihres Lebens erzeugen sehr massereiche Sterne ein Schwarzes Loch, während die weniger massereichen Sterne vom Typ O als Neutronensterne enden, wenn sie als Supernova „sterben“. Aus den Doppelsternen können also zwei Neutronensterne, ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch oder zwei Schwarze Löcher entstehen. Die Umlaufbahnen dieser Objekte verringern sich durch die Emission von Gravitationswellen und können von Gravitationswellendetektoren beobachtet werden.

Wie die Sonne haben auch massereiche Sterne stellare Winde – einen energiereichen Strom von geladenen Teilchen. Dieses Plasma reagiert auf das Magnetfeld des Sterns. Dadurch entsteht eine Struktur, eine Magnetosphäre, die alle Sterne und Planeten mit Magnetfeldern besitzen, einschließlich der Erde, die dadurch vor energiereicher kosmischer Strahlung geschützt ist. Das Plasma, das sich mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde bewegen kann, ist dabei extremen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Eine wissenschaftliche Theorie ist, dass dieser magnetische Mechanismus die eng gebündelte Explosion massereicher Sterne verursacht, und damit für langanhaltende Gammastrahlenausbrüche, Röntgenblitze und andere Phänomene in Zusammenhang mit Supernovae von Bedeutung ist.

Eine theoretische Erklärung für den Einfluss von Magnetfeldern auf Supernovae oder lang andauernde Gammastrahlenausbrüche wurde zwar schon vor Jahrzehnten vorgeschlagen, aber seither wurde nur von elf Sternen vom Typ O berichtet, die Magnetfelder aufweisen. Mit Ausnahme eines Sterns handelte es sich bei allen um Einzelsterne oder weite Doppelsterne. Diese Tatsache war sehr rätselhaft, da frühere Studien gezeigt hatten, dass über 90 % der Sterne vom Typ O in Mehrfachsystemen mit zwei oder mehr Sternen entstehen. In der Tat waren viele Astronominnen und Astronomen über die relativ geringe Anzahl von Magnetfeldnachweisen bei massereichen Sternen verwirrt, da sie einige der beobachteten physikalischen Eigenschaften von Mehrfachsystemen nicht interpretieren konnten, ohne die Wirkung eines Magnetfeldes zu berücksichtigen.

Um diese Diskrepanz zu beheben, führten die Autorinnen und Autoren der neuen Studie eine magnetische Untersuchung durch, bei der sie archivierte spektropolarimetrische Beobachtungen von Sternsystemen mit mindestens einer Komponente vom Typ O verwendeten. Die Spektropolarimetrie misst die Polarisation des Lichts, die Aufschluss über das Vorhandensein eines Magnetfelds in einem Stern gibt. Sie verwendeten Daten der hochauflösenden Spektropolarimeter HARPS, das am 3,6-Meter-Teleskop der ESO auf La Silla/Chile installiert ist, und ESPaDOnS am Canada-France-Hawaii-Teleskop auf Mauna Kea. Um die Daten zu analysieren, entwickelten sie ein spezielles, ausgeklügeltes Verfahren zur Messung des Magnetfeldes.

„Zu unserer Überraschung zeigten die Ergebnisse eine sehr hohe Häufigkeit des Magnetismus in diesen Mehrfachsystemen. In 22 der 36 untersuchten Systeme wurden definitiv Magnetfelder nachgewiesen, während nur drei Systeme keinerlei Anzeichen eines Magnetfeldes aufwiesen“, erklärt Dr. Silva Järvinen, Wissenschaftlerin in der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP. „Die große Anzahl von Systemen mit magnetischen Komponenten gibt Rätsel auf, deutet aber wahrscheinlich darauf hin, dass die Tatsache, dass diese Sterne sich als Doppelsternsysteme entwickelt haben, eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von Magnetfeldern in massereichen Sternen spielt, und zwar durch Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten, wie z. B. Massentransfer zwischen den Sternen oder sogar durch eine Verschmelzung zweier Sterne. Diese Arbeit ist auch die erste Beobachtungsbestätigung für das zuvor vorgeschlagene theoretische Szenario, wie das Magnetfeld eines Sterns seinen Tod beeinflusst und eine schnellere und heftigere Supernovaexplosion verursacht“, fährt Dr. Swetlana Hubrig fort.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichung
S Hubrig, S P Järvinen, I Ilyin, M Schöller, R Jayaraman, Are magnetic fields universal in O-type multiple systems?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stad730
https://academic.oup.com/mnras/article/521/4/6228/7085749

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• Sternentwicklung

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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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• Naher Gammastrahlenblitz lässt Modelle wanken (3. Juni 2021)
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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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• H.E.S.S. Teleskope
• Gamma Ray Bursts (GRBs)

Der Beitrag Naher Gammastrahlenblitz lässt Modelle wanken erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Potsdam.

Am 20. Juli 2018 meldeten mehrere Weltraumobservatorien kurz nacheinander einen Gammastrahlenausbruch. Dieser Ort am Himmel wurde sogleich von verschiedenen Observatorien ins Visier genommen. Ins Blickfeld von H.E.S.S. kam diese Stelle erst zehn Stunden später. Das H.E.S.S.-Team suchte nach dem Nachglühen des Ausbruchs. Extrem energiereiche kosmische Explosionen produzieren Gammastrahlenausbrüche, die meist nur einige zehn Sekunden dauern. Darauf folgt ein länger andauerndes Nachglühen, dessen Helligkeit rasch abklingt. Die Gammastrahlen des unmittelbaren Ausbruchs sind meist einige Tausend bis Millionen Mal energiereicher als sichtbares Licht und nur von Satelliten aus beobachtbar. Weltraumobservatorien konnten aber auch schon einzelne noch energiereichere Photonen nachweisen. Bis zu welchen Energien diese Ausbrüche Strahlung emittieren und ob auch Gammastrahlung dabei ist, die mindestens 100 Milliarden Mal energiereicher als sichtbares Licht ist, blieb bislang offen.

Dieser Nachweis gelang nun mit dem großen H.E.S.S.-Teleskop, das für derartige Beobachtungen besonders geeignet ist. In den Beobachtungsdaten, die zehn bis zwölf Stunden nach dem Gammastrahlenausbruch aufgezeichnet wurden, war an der Stelle des Ausbruchs eine neue, punktförmige Gammastrahlen-Quelle sichtbar. 18 Tage später verschwand sie wieder. Der Gammastrahlenausbruch war sehr stark und dauerte etwa 50 Sekunden, eine relativ lange Zeit, die auf den Tod eines massereichen Sterns hindeutet. Dabei kollabiert dessen Kernbereich zu einem schnell rotierenden Schwarzen Loch. In einer sich um das Schwarze Loch drehenden Materie-Scheibe heizt sich das umgebende Gas sehr stark auf. Senkrecht zur Scheibenebene ausgestoßene lichtschnelle Düsenstrahlen erzeugen die Gammablitze. „Die jetzt entdeckte höchstenergetische Gammastrahlung demonstriert nicht nur die Anwesenheit von extrem beschleunigten Teilchen, sondern zeigt auch, dass diese Teilchen noch relativ lange nach der Explosion existieren bzw. erzeugt werden“, sagt Dr. Clemens Hoischen von der Universität Potsdam. Als kosmischen Beschleuniger sehen die Physiker sehr wahrscheinlich die von der Explosion ausgehende Schockwelle. Vor dieser H.E.S.S.-Beobachtung gingen die Forscher davon aus, dass solche Ausbrüche vermutlich nur in den ersten Sekunden und Minuten bei diesen extremen Energien beobachtbar sind.

Zum Zeitpunkt der H.E.S.S.-Messungen hatte das Nachglühen im Röntgenlicht stark abgenommen. Als erstaunlich betrachten es die Forscher, dass „Helligkeit“ und spektrale Form im Röntgen- und höchstenergetischen Gammabereich übereinstimmen. Wie diese auf sehr hohe Energien beschleunigten Teilchen höchstenergetisches Gammalicht erzeugen, kann theoretisch auf verschiedene Art und Weise geschehen. Die H.E.S.S Ergebnisse grenzen die möglichen Emissionsmechanismen zwar stark ein, geben aber auch neue Rätsel auf, da sie recht extreme Parameter des Ausbruchs als kosmischen Teilchenbeschleuniger erfordern. Clemens Hoischen ist von der neuen Entdeckung begeistert: „Als ich anfing, mich mit den Gammastrahlenausbrüchen zu beschäftigen, hatte man bereits seit etwa 20 Jahren erfolglos versucht, sogenannte Gamma-Ray Bursts mit Cherenkov-Teleskopen zu beobachten. Dass die Detektion nun gelungen ist, wird uns dabei helfen, dieses Phänomen in den kommenden Jahren noch deutlich besser untersuchen zu können.“

Das H.E.S.S. Telescope Array
Die Ergebnisse wurden mit dem H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) Experiment in Namibia erzielt. Dieses System aus vier Teleskopen mit einem Spiegeldurchmesser von je 13 m und dem riesigen HESS II Teleskop mit 28 m Spiegeldurchmesser (dem größten optischen Teleskop der Welt) bilden die leistungsfähigste Forschungseinrichtung zur Untersuchung hochenergetischer Gammastrahlung. Das Experiment wird von der H.E.S.S. Kollaboration betrieben, die aus über 250 Wissenschaftlern aus Deutschland, Frankreich, Namibia, Südafrika, Polen, England, Österreich, Japan, Irland, Armenien, Australien, Schweden und den Niederlanden gebildet wird. Die Forscher und ihre Institutionen werden von nationalen Forschungsorganisationen unterstützt.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik.

Der Gammablitz, den die beiden MAGIC-Teleskope am 14. Januar 2019 aufzeichneten, war spektakulär: Noch nie haben Astrophysiker einen Gammablitz mit so hoher Energie erfasst – hunderte von Milliarden mal stärker als die von sichtbarem Licht. Dabei fing MAGIC den Gammablitz erst ein, als dieser bereits nachglühte, also seine Energie schwächer wurde. Daraus schließen die Wissenschaftler*innen, dass im Afterglow von Gammablitzen andere physikalische Mechanismen am Werk sind als bisher angenommen.

Mit der Beobachtung von GRB 190114c, so die astrophysikalische Bezeichnung, konnte der MAGIC-Forschungsverbund nachweisen, was Astrophysiker*innen lange vermutet hatten: Dass Gammablitze im Teraelektronenvolt (TeV)-Bereich leuchten – dem allerhöchsten Energiebereich (1).

Für etwa 30 Sekunden war das Nachglühen (Afterglow) des Gammablitzes mehr als 100 Mal so stark wie der Krebsnebel, die hellste bekannte Quelle in unserer Galaxie. Danach schwächte sich das Signal relativ schnell ab. Schon nach einer halben Stunde konnte MAGIC keine Emissionen mehr messen.

Schnell am richtigen Ort
Das Energiemonster wurde zunächst von den Satelliten Swift und Fermi gesichtet. Nach 22 Sekunden alarmierten die beiden Späher der US-Raumfahrtbehörde NASA verschiedene Teleskope, darunter auch das MAGIC-Duo auf La Palma mit jeweils 17 Metern Spiegel-Durchmesser.

Gammablitze von der Erde aus anzupeilen ist eine schwierige Aufgabe, wie Razmik Mirzoyan, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecher des MAGIC-Forschungsverbundes, erklärt: „Diese Objekte können jederzeit irgendwo am Himmel aufleuchten – und rasch wieder verschwinden. Deswegen setzen die MAGIC-Teleskope auf ein vollautomatisiertes System, um Satellitensignale zu verarbeiten.“

Wenn ein Himmelskörper von ihrem Standort aus zu sehen ist, lassen sich die Teleskope mit einem leistungsstarken Antrieb sehr schnell in Position bringen. „Trotz ihres Gewichts von jeweils 64 Tonnen können die Teleskope in kürzester Zeit auf neue Himmelsziele einschwenken – beim aktuellen Gammablitz waren es nur 27 Sekunden nach dem ersten Alarm“, sagt Mirzoyan.

Nur wenige Stunden später begannen mehr als zwei Dutzend weitere Instrumente damit, das Himmelsereignis zu verfolgen. Mit Beobachtungen vom Radiofrequenz-Bereich bis hin zu Gammastrahlen haben Wissenschaftler*innen jetzt ein detailreiches Bild von diesem Gamma-Ausbruch. Mithilfe optischer Teleskope ließ sich auch die Entfernung von GRB190114c taxieren: Für kosmische Maßstäbe ereignete sich der Gammablitz sozusagen „um die Ecke“ in einer etwa 4,5 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie

Was treibt die Energie auf Rekordwerte?
Auch 50 Jahre nach ihrer ersten Beobachtung ist unklar, welche physikalischen Prozesse sich bei Gammablitzen abspielen. Dass Gammablitze derart energiereiche Photonen aussenden, hatten einige theoretische Modelle vorhergesagt; der Nachweis war aber bis zur aktuellen Entdeckung ausgeblieben. Doch welcher Mechanismus ist dafür verantwortlich?

Gammablitze strahlen in unterschiedlichen Energiebereichen. Die bisher beobachteten energieärmeren Emissionen im Nachglühen führen Wissenschaftler*innen auf die Synchrotronstrahlung zurück. Sie entsteht, wenn sich energiereiche Elektronen schnell durch ein Magnetfeld bewegen. Dieser Mechanismus kommt allerdings für die beobachtete Rekordstrahlung nicht infrage – es muss also einen anderen Motor geben. Eine Möglichkeit wäre der inverse Compton-Prozess. Dabei übertragen energiereiche Elektronen ihre Energie auf energiearme Photonen. Die Lichtteilchen kommen so auf Energien im TeV-Bereich.

Die aktuellen Messdaten bei verschiedenen Wellenlängen (Multi-Wavelength-Beobachtungen) liefern wichtige Hinweise, um die physikalischen Prozesse hinter den Gammablitzen zu entschlüsseln. Außerdem haben MAGIC-Wissenschaftler*innen inzwischen frühere Gammablitz-Beobachtungen genauer unter die Lupe genommen.

Dabei stellten sie fest, dass GRB 190114c – außer seiner relativen Nähe zu unserem Sonnensystem – kein Einzelfall ist. „Möglicherweise ist unsere Entdeckung nur ein erstes Indiz dafür, dass alle Gammablitze Strahlung auf höchstem Energieniveau aussenden“, so Mirzoyan. „Wir hoffen daher, viele weitere Gammablitze mit einer Energie im Teraelektronenvolt-Bereich zu entdecken, um mehr über diese faszinierenden Himmelsobjekte zu erfahren.“

(1) Die höchste Energie, die wir kennen, geht von Gammastrahlen aus. Sie bilden die energiereichste Strahlung im elektromagnetischen Spektrum, zu dem auch Röntgenstrahlen, UV-Licht, sichtbares Licht und Mikrowellen und Radiowellen zählen. Gammastrahlen haben eine Energie zwischen 100 Gigaelektronenvolt und 100 Teraelektronenvolt.

Publikationen:

• Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C – MAGIC Collaboration (V. A. Acciari, S. Ansoldi, L. A. Antonelli, A. Arbet Engels, D. Baack, A. Babić, et al.) (Nature, 21. November 2019)
• Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst – MAGIC Collaboration (MAGIC Collaboration, P. Veres, P. N. Bhat, M. S. Briggs, W. H. Cleveland, et al.) (Nature, 21. November 2019)

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

Der Beitrag Gammablitz mit Ultra-Strahlkraft erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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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Quelle: DESY.

Die stärksten Explosionen des Universums strahlen noch energiereicher als bislang bekannt: Zwei internationale Teams haben mit Spezialteleskopen die energiereichstenGammastrahlen von sogenannten Gamma-Ray Bursts registriert, die jemals gemessen wurden. Sie besitzen rund 100 Milliarden Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der H.E.S.S.- und der MAGIC-Teleskope stellen ihre Beobachtungen in unabhängigen Veröffentlichungen im Fachjournal „Nature“ vor. Es handelt sich um die ersten Nachweise von Gamma-Ray Bursts mit erdgebundenen Gammastrahlenteleskopen. DESY ist an beiden Observatorien maßgeblich beteiligt, die federführend von der Max-Planck-Gesellschaft betrieben werden.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) sind plötzliche, kurze Ausbrüche von Gammastrahlung im Kosmos, die sich etwa einmal pro Tag irgendwo im sichtbaren Universum ereignen. Die Gammablitze stammen nach aktuellem Wissen von kollidierenden Neutronensternen oder aus Supernova-Explosionen von Riesensonnen, die zu einem Schwarzen Loch kollabieren. „Gammablitze sind die stärksten bekannten Explosionen im Universum und setzen typischerweise in wenigen Sekunden mehr Energie frei als unsere Sonne in ihrer gesamten Lebensdauer – sie können durch nahezu das gesamte sichtbare Universum leuchten“, sagt David Berge, Leiter der Gammastrahlenastronomie bei DESY.

Entdeckt wurde das kosmische Phänomen Ende der 1960er Jahre zufällig von Satelliten zur Überwachung des Atomteststopp-Abkommens auf der Erde. Seitdem untersuchen Astronomen die Gammastrahlenausbrüche mit Satelliten vom Erdorbit aus. Mit erdgebundenen Teleskopen ließen sich die Gammaquanten der Blitze bislang nicht beobachten, weil die Erdatmosphäre sie normalerweise schluckt.

Astronomen haben Spezialteleskope entwickelt, die das schwache, bläuliche Cherenkov-Licht registrieren, das kosmische Gammastrahlung in der Erdatmosphäre erzeugt. Diese Instrumente können jedoch nur sehr energiereiche Gamma-Photonen nachweisen, die Helligkeit von Gamma-Ray Bursts fällt aber mit steigender Energie steil ab. Cherenkov-Teleskope haben zwar zahlreiche Quellen kosmischer Gammastrahlung bei sehr hohen Energien identifiziert, ein Gamma-Ray Burst war bislang jedoch nicht darunter. Satelliten dagegen sehen zwar regelmäßig Gammablitze, haben aber viel zu kleine Detektorflächen, um für die sehr geringe Helligkeit der Gammastrahlenausbrüche bei sehr hohen Energien empfindlich zu sein. Daher war es bislang unklar, ob die Monster-Explosionen auch noch Gammastrahlung bei sehr hohen Energien aussenden.

Forscher haben seit vielen Jahren versucht, Gammablitze mit Cherenkov-Teleskopen zu erwischen. Zwischen Sommer 2018 und Januar 2019 haben nun gleich zwei internationale Teams, beide mit DESY-Beteiligung, erstmals Gammastrahlung von Gamma-Ray Bursts mit erdgebundenen Teleskopen nachgewiesen. Am 20. Juli 2018 konnte das 28-Meter-Gammastrahlenteleskop des High-Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia das schwache Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs mit der Katalognummer GRB 180720B beobachten. Am 14. Januar 2019 registrierten die Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) Teleskope auf der Kanareninsel La Palma helle Gammastrahlung aus der frühen Phase von GRB 190114C.

Beide Beobachtungen waren durch Gammastrahlen-Satelliten der US-Raumfahrtbehörde NASA ausgelöst worden, die den Himmel nach Gammablitzen absuchen und automatische Benachrichtigungen an Observatorien wie H.E.S.S. und MAGIC verschicken. „Wir konnten so schnell auf die Herkunftsregion schwenken, dass wir nur 57 Sekunden nach dem ursprünglichen Nachweis der Explosion mit der Beobachtung beginnen konnten“, berichtet DESY-Forscher Cosimo Nigro, der zu dieser Zeit die Beobachtungsschicht leitete. „In den ersten 20 Minuten der Beobachtung haben wir rund tausend Photonen von GRB 190114C registriert.“

MAGIC beobachtete Gammaquanten mit Energien zwischen 200 und 1.000 Milliarden Elektronenvolt (0,2 bis 1 Tera-Elektronenvolt). „Dies sind bei weitem die höchstenergetischen Photonen, die jemals von einem Gamma-Ray Burst entdeckt worden sind“, sagt die Leiterin der MAGIC-Gruppe bei DESY, Elisa Bernardini. Zum Vergleich: Sichtbares Licht liegt im Energiebereich von etwa 1 bis 3 Elektronenvolt.

Die frühe Entdeckung ermöglichte, die weltweite Astronomengemeinde schnell zu informieren. Daraufhin haben mehr als 20 andere Teleskope in zahlreichen Wellenlängenbereichen einen genaueren Blick auf das Objekt geworfen. So ließen sich Details der physikalischen Mechanismen entschlüsseln, die für die Strahlung der höchsten Energien verantwortlich sind und von den Forscherinnen und Forschern des MAGIC-Konsortiums in einem zweiten Fachaufsatz in „Nature“ beschrieben werden. Die Nachbeobachtungen bestimmten auch die Entfernung von GRB 190114C zu mehr als vier Milliarden Lichtjahren. Sein Licht war also mehr als vier Milliarden Jahre zu uns unterwegs und damit rund ein Drittel des Alters des Universums.

GRB 180720B war mit einer Distanz von sechs Milliarden Lichtjahren noch weiter entfernt. Dennoch ließ sich seine Gammastrahlung im Bereich von 100 bis 440 Milliarden Elektronenvolt auch lange nach dem ursprünglichen Blitz nachweisen. „Überraschenderweise konnte das H.E.S.S.-Teleskop noch zehn Stunden nach der ersten Satellitenbeobachtung der Explosion einen Überschuss von 119 Gammaquanten aus der Richtung des Ausbruchs registrieren“, sagt der Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY, Stefan Ohm.

„Der Nachweis kam recht unerwartet, da Gammastrahlenausbrüche schnell an Helligkeit verlieren. Sie besitzen zwar ein Nachglühen, das noch Stunden oder manchmal sogar Tage in vielen Wellenlängenbereichen von Radiowellen bis zur Röntgenstrahlung beobachtet werden kann, aber nie zuvor in der sehr energiereichen Gammastrahlung nachgewiesen wurde“, erläutert DESY-Theoretiker Andrew Taylor, der an der H.E.S.S.-Analyse beteiligt war. „Dieser Erfolg ist auch einer verbesserten Nachbeobachtungsstrategie zu verdanken, bei der wir uns auch auf spätere Zeiten nach dem eigentlichen Sternkollaps konzentrieren.“

Der Nachweis von Gammastrahlenausbrüchen bei sehr hohen Energien liefert wichtige neue Einblicke in die gigantischen Explosionen. „Indem wir festgestellt haben, dass Gamma-Ray Bursts Photonen mit Energien produzieren, die hundertmilliardenfach höher sind als sichtbares Licht, wissen wir jetzt auch, dass sie in der Lage sind, Partikel innerhalb der Explosionswolke hocheffizient zu beschleunigen“, sagt DESY-Forscherin Konstancja Satalecka, eine der MAGIC-Koordinatorinnen für die Suche nach Gammastrahlenausbrüchen. „Außerdem stellt sich heraus, dass uns bisher etwa die Hälfte ihres Energiebudgets entgangen ist. Denn unsere Messungen zeigen, dass die im Bereich der sehr energiereichen Gammastrahlung freigesetzte Energie vergleichbar ist mit der Energie, die bei allen anderen Wellenlängen zusammen abgestrahlt wird. Das ist bemerkenswert!“

Die Erzeugung dieser sehr energiereichen Gammastrahlung physikalisch zu erklären, ist eine Herausforderung. Beide Teams gehen von einem zweistufigen Prozess aus: Zunächst werden schnelle elektrisch geladene Teilchen in den starken Magnetfeldern der Explosionswolke abgelenkt und senden dabei sogenannte Synchrotronstrahlung aus, wie sie sich durch den gleichen Prozess auch in irdischen Teilchenbeschleunigern – etwa bei DESY – erzeugen lässt. Allerdings kann diese Synchrotronstrahlung nur unter Extrembedingungen die beobachteten sehr hohen Energien erreichen. Stattdessen nehmen die Forscherinnen und Forscher an, dass diese Photonen in einem zweiten Schritt wiederum mit den schnellen elektrisch geladenen Teilchen zusammenstoßen und dadurch auf die beobachtete sehr hohe Energie gebracht werden. Diesen zweiten Schritt nennen Wissenschaftler inverse Compton-Streuung.

„Die beiden Instrumente haben zum ersten Mal Gammastrahlung von Gamma-Ray Bursts vom Erdboden aus gemessen“, fasst Berge zusammen. „Diese beiden bahnbrechenden Beobachtungen haben Gamma-Ray Bursts als Quellen für erdgebundene Gammstrahlenteleskope etabliert. Das hat das Potenzial, unser Verständnis dieser gewaltigen Phänomene deutlich voranzubringen.“ Die Forscher schätzen, dass sich mit dem Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation, dem geplanten Cherenkov Telescope Array (CTA), bis zu zehn solche Ereignisse pro Jahr beobachten lassen werden. Das CTA wird aus mehr als 100 Einzelteleskopen bestehen, die an je einem Standort auf der Nord- und der Südhalbkugel aufgebaut werden. DESY ist an dem Observatorium maßgeblich beteiligt und unter anderem für die Konstruktion der mittelgroßen CTA-Teleskope verantwortlich. Außerdem wird das wissenschaftliche CTA-Datenzentrum am DESY-Standort Zeuthen gebaut. CTA soll voraussichtlich 2023 mit den ersten Beobachtungen beginnen.

Hintergrundinformationen
Der Nachweis der sehr energiereichen Gammaquanten auf der Erde gelang mit Spezialteleskopen, die nicht die kosmischen Gammaquanten direkt beobachten, sondern deren Wirkung auf die Erdatmosphäre: Wenn ein energiereiches kosmisches Gammaquant die Erdatmosphäre trifft, zerschmettert es dort Moleküle und Atome. Dieser Prozess erzeugt eine ganze Lawine von Folgeteilchen, die Luftschauer genannt wird. Die Schauerteilchen bewegen sich schneller durch die Luft als das Licht – aber nicht schneller als das Licht im Vakuum, was gemäß Albert Einsteins Relativitätstheorie die absolute Geschwindigkeitsobergrenze darstellt. Dadurch entsteht ein bläuliches Leuchten, eine Art optisches Pendant zum Überschallknall. Dieses nach seinem Entdecker benannte Cherenkov-Licht können Spezialteleskope wie jene der H.E.S.S.- und MAGIC-Observatorien oder des geplanten CTA beobachten.

Die H.E.S.S.-Beobachtungen von GRB 180720B wurden zuerst bei einem wissenschaftlichen CTA-Symposium im Mai 2019 verkündet. Die MAGIC-Beobachtungen wurden direkt am 14. Januar 2019 in einem „Astronomers‘ Telegram“ (ATel) verbreitet.

Das H.E.S.S.-Konsortium besteht aus mehr als 250 Forscherinnen und Forschern von 41 Instituten in 12 Ländern. Das MAGIC-Konsortium vereint 280 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 37 Instituten in 12 Ländern. Die MAGIC-Gruppe bei DESY wird zum Teil durch eine Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft für exzellente Wissenschaftlerinnen finanziert.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.

Gammastrahlenausbrüche (kurz „GRB“) stellen die hellsten und energiereichsten Explosionen dar, welche jemals im Universum beobachtet wurden. Bei etwa 70 Prozent aller beobachteten GRBs handelt es sich um Gammastrahlenblitze, welche länger als mindestens zwei Sekunden andauern. Derartige ‚langandauernde GRBs‘ werden von den Astronomen mit Supernova-Explosionen in Zusammenhang gebracht. Sobald ein Stern, welcher ursprünglich über mindestens etwa 20 Sonnenmassen verfügt, seinen für die Kernfusion benötigten nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat, kollabiert dieser unter seiner eigenen Masse zu einem schwarzen Loch.

Im Rahmen dieser Explosion setzt ein typischer Gammastrahlenausbruch in nur wenigen Sekunden so viel Energie frei, wie die Sonne in ihrem gesamten, etwa zehn Milliarden Jahre andauernden Leben. 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.

Allerdings erzeugen einige Gammastrahlenblitze seltsamerweise kein solches Nachleuchten, weshalb derartige Ausbrüche von den Astronomen auch als ‚dunkle Blitze‘ bezeichnet werden. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen bestand bereits seit längerem darin, dass relativ kompakte Staubwolken die Strahlung des Nachleuchtens absorbieren. Diese Vermutung hat sich jetzt durch neue Forschungen erhärtet.

ALMA entdeckt molekulares Gas…
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler versucht zu entschlüsseln, wie sich GRBs bilden und warum dabei bei einigen kein Nachleuchten zu beobachten ist. Hierzu wurden deren Ursprungsgalaxien untersucht. Die Astronomen gingen dabei allgemein davon aus, dass die massereichen GRB-Vorläufersterne in aktiven Sternentstehungsgebieten zu finden wären, welche naturgemäß von großen Mengen molekularen Gases umgeben sind. Allerdings konnte diese Theorie bisher nicht durch entsprechende Beobachtungen bestätigt werden.

Jetzt ist es allerdings einer Gruppe von japanischen Astronomen gelungen, mit dem in der nordchilenischen Atacamawüste befindlichen Radioteleskopverbund ALMA die Radioemissionen von molekularem Gas in zwei GRB-Ursprungsgalaxien zu detektieren, welche sich in Entfernungen von 4,3 Milliarden beziehungsweise 6,9 Milliarden Lichtjahren zu unserer Heimatgalaxie befinden. Ermöglicht wurde dies durch die bisher unerreichte hohe Empfindlichkeit des Radioteleskopverbundes. Die Sensitivität von ALMA fiel bei den entsprechenden Beobachtungen etwa fünfmal besser aus als bei vorherigen Observationen mit anderen Teleskopen.

„Wir haben seit über zehn Jahren mit verschiedenen Teleskopen auf der ganzen Welt nach molekularem Gas in GRB-Ursprungsgalaxien gesucht. Als Ergebnis unserer harten Arbeit ist uns nun endlich mit ALMA ein beachtlicher Durchbruch gelungen. Wir sind sehr begeistert von dem, was wir erreicht haben“, so Professor Kotaro Kohno von der Universität Tokio, einer der Mitarbeiter der Forschungsgruppe.

…und ungewöhnlich viel Staub
Ebenfalls dank des hohen Auflösungsvermögens von ALMA war es dabei zudem möglich, den Anteil und die Verteilung des molekulares Gas im Vergleich zu dem interstellaren Staub in den GRB-Ursprungsgalaxien zu bestimmen. Das Verhältnis der Staubmasse zur Masse des molekularen Gases liegt im interstellarem Medium der Milchstraße und anderer nahegelegener, sternbildender Galaxien bei etwa einem Prozent. Die ALMA-Daten ergaben, dass der Staubanteil in der Umgebung von GRB 020819B dagegen mindestens 10mal höher ausfällt. Eine ähnliche Verteilung wurde im Bereich des weiter entfernt gelegenen GRB 051022 beobachtet, muss wegen der entfernungsbedingt geringeren Auflösung von ALMA allerdings erst noch durch Nachfolgebeobachtungen bestätigt werden.

„Wir haben nicht erwartet, dass GRBs in einem derartig staubigen Umfeld mit einem niedrigen Verhältnis von molekularem Gas zu Staub auftreten würden. Das deutet darauf hin, dass der Gammastrahlenausbruch sich in einer Umgebung ereignet hat, die sich stark von einem typischen Sternentstehungsgebiet unterscheidet“, so Bunyo Hatsukade vom National Astronomical Observatory in Japan, der Leiter der Forschungsgruppe. Dies lässt darauf schließen, dass die massereichen Vorgängersterne der GRBs das Umfeld ihrer jeweiligen Sternentstehungsgebiete verändert haben, bevor sie als Supernova endeten.

Staub als Ursache für ‚dunkle‘ Gammastrahlenausbrüche
Eine Erklärung für den hohen Staubanteil in der Umgebung der untersuchten GRBs könnte darin liegen, dass molekulares Gas und Staub unterschiedlich auf ultraviolette Strahlung reagieren. Die Bindungen zwischen Atomen, aus denen sich Moleküle zusammensetzen, kann leicht durch ultraviolette Strahlung aufgebrochen werden. Dies hat zur Folge, dass interstellares molekulares Gas – anders als der interstellare Staub – auf Dauer nicht in einem Umfeld bestehen kann, welches der starken ultravioletten Strahlung ausgesetzt ist, die von einem heißen und massereichen Stern in seinem Sternentstehungsgebiet ausgeht.

„Die Ergebnisse, die wir jetzt erhalten haben, haben unsere Erwartungen übertroffen. Wir müssen weitere Beobachtungen für andere GRB-Ursprungsgalaxien durchführen, um zu sehen, ob es sich dabei um allgemeine Bedingungen im Umfeld eines GRB handelt. Wir freuen uns auf die zukünftige Forschung mit der verbesserten Leistungsfähigkeit von ALMA“, so Bunyo Hatsukade weiter. Auf jeden Fall stützen die bisherigen Beobachtungsdaten von ALMA jedoch die Vermutung, dass Staub in den Ursprungsgalaxien die Strahlung des Nachglühens eines GRBs absorbiert und somit für das Auftreten von ‚dunklen‘ Gammastrahlenblitzen verantwortlich ist.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden von den beteiligten Wissenschaftlern am 12. Juni 2014 unter dem Titel „Two gamma-ray bursts from dusty regions with little molecular gas“ in der Fachzeitschrift Nature publiziert. Bei dieser Arbeit handelt es sich zugleich um die erste Veröffentlichung von wissenschaftlichen Ergebnissen, bei denen Daten des ALMA-Teleskopverbundes im Rahmen der Untersuchung von Gammastrahlenausbrüchen verwendet und publiziert wurden.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)
• ESO-Projekt ALMA

Fachartikel von B. Hatsukade et al.:

• Two gamma-ray bursts from dusty regions with little molecular gas (engl.)

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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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Quelle: Niels Bohr Institut Universität Kopenhagen. Vertont von Peter Rittinger.

Bei Gammastrahlungsausbrüchen (GRB = Gamma Ray Burst) handelt es sich um die kräftigsten und hellsten Sternexplosionen im Universum. Derartige Ausbrüche können von Erdsatelliten festgestellt werden, anschließend ist es für auf der Erde stationierte Teleskope möglich, das Licht, das bei solchen Ausbrüchen entstanden ist, im Detail zu studieren. Der als GRB 090323 bezeichnete Ausbruch wurden vom US-amerikanischen Weltraumteleskop Swift alias Explorer 84 entdeckt. Anschließend wurde er von den Teleskopen der Anlagen GROND und VLT in Chile untersucht.

Die Beobachtungen mit dem VLT zeigten, dass das intensive Licht vom Gammastrahlungsausbruch auf dem Weg zur Erde eine Region zweier nahe beieinander liegender Galaxien – in einer von ihnen fand der Ausbruch statt – durchquert hatte. Rund 12 Milliarden Jahre sind die beiden Galaxien alt. In Relation ist das Universum nicht viel älter: Heute schätzt man sein Alter auf rund 13,7 Milliarden Jahre.

Möglichkeiten zur Beobachtung weit entfernter Galaxien ergeben sich laut Thomas Krüehler, Astrophysiker am Niels Bohr Institut der Universität Kopenhagen, sehr selten. Das starke Licht nach einem Gammastrahlenausbruch holt Regionen der Sternentstehung kurzzeitig aus dem Dunkel und ist ein kraftvolles Werkzeug, das der Erforschung der Zusammensetzung der Materie in diesen Region dient, so Thomas Krüehler.

In Sternen bilden sich schwere Elemente aus heißem Wasserstoffgas. Die Atome verschmelzen, dabei wird Licht und damit Energie frei. Explodiert und stirbt ein Stern, werden die fusionierten Elemente in den umgebenden Raum geblasen, wo sie zu einem Teil der großen Gas- und Staubwolken werden, aus welchen sich neue Sterne bilden können. Jede neue Generation dieser Wolken und der aus ihnen entstandenen Sterne weist einen größere Anteil schwererer Elemente als die jeweils vorhergehende auf.

Thomas Krüehler berichtete, dass man erwartet hatte, Galaxien würden im sehr jungen Universum nicht in der Lage gewesen sein, so viele schwere Elemente zu erzeugen. Deshalb sei man jetzt sehr überrascht, feststellen zu müssen, dass solche Galaxien einen größeren Anteil schwererer Elemente enthalten als unsere Sonne.

Unsere intensiven Untersuchungen von Gammastrahlenausbrüchen zeigen, dass einige junge Galaxien bereits reich an schwereren Elementen sind und nur zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall schon Metalle enthalten können, sagte Thomas Krüehler, und erklärte, dass die Bestimmung des Metallgehalts in weit entfernten Galaxien eine diffizile Angelegenheit, aber essentiell notwendig für das Verständnis der Entwicklung des Kosmos ist.

Thomas Krüehler, der innerhalb der Forschergruppe verantwortlich für die Sammlung geeigneter Daten war und eine maßgebliche Rolle bei der Prüfung der Verlässlichkeit der wissenschaftlichen Ergebnisse, die aus den Beobachtungen gewonnen wurden, spielt, freut sich schon auf den Einsatz eines neuen, X-shooter genannten, teilweise in Kopenhagen entstandenen Instruments für das VLT. Das Instrument wird den Forschern erlauben, Gammastrahlungsausbrüche in jungen, weit entfernten Regionen des Universums noch detaillierter zu untersuchen.

Raumcon:

• Gamma Ray Bursts

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: ESO.

Am 19. März 2008 hatte der auf Gammastrahlenblitze spezialisierte Satellit Swift einen Ausbruch von ungeheurer Intensität entdeckt. Er erhielt die offizielle Bezeichnung GRB 080319B. Gammastrahlenblitze künden vom Ende großer Sterne und sind die energiereichsten Ereignisse im Universum – und dieser Blitz war derart intensiv, dass er, obwohl er sich ein halbes Universum entfernt ereignete, kurzzeitig sogar für das bloße Auge sichtbar war. In einem Bericht, der vor wenigen Tagen in der aktuellen Ausgabe von „Nature“ erschien, berichten nun Judith Racusin von der Penn-State-Universität in Pennsylvania/USA und 92 Co-Autoren von den Beobachtungen quer durch das elektromagnetische Spektrum, die 30 Minuten vor der Explosion begannen und noch Monate lang fortgesetzt wurden.

„Wir gehen davon aus, dass die außerordentliche Helligkeit des Bursts daher rührte, dass einer der von dem Stern ausgestoßenen Gas-Jets fast genau in Richtung Erde verlief. Dabei erreichte er fast die Lichtgeschwindigkeit; die Differenz betrug nur 0,00005 Prozent.“ sagte Guido Chincarini, ein Mitglied des Teams.

Die meisten Gammastrahlenausbrüche ereignen sich, wenn alten Sternen der Brennstoff ausgeht und sie in sich zusammenbrechen. Durch Prozesse, die noch nicht voll verstanden sind, werden dabei sehr schnelle Gas-Ströme, genannt „Jets“, ausgestoßen. Wenn diese Jets in den Raum schießen, treffen sie auf Gaswolken, die der Stern zuvor im Todeskampf ausgestoßen hat, heizen sie auf und erzeugen so ein noch lange Zeit anhaltendes Nachglühen. Je nach Größe bleibt von dem Stern ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern übrig.

Das Team glaubt, dass der Jet, der auf die Erde gerichtet war, sich aus zwei Komponenten zusammensetzte: Einem ultraschnellen inneren Jet von nur 0,4 Grad Öffnungswinkel (das ist noch etwas schmaler als die Scheibe des Vollmonds), umfasst von einem etwas weniger energetischen und etwa 20-mal weiteren, äußeren Jet.

Die weite Komponente kennt man schon von früheren Ausbrüchen. „Vielleicht hat jeder Gammastrahlenblitz so einen inneren Jet, aber meistens haben wir keinen beobachtet“, sagte Teammitglied Stefano Covino. Durch den glücklichen Zufall, dass der Jet so genau auf die Erde „zielte“, konnte der sehr enge, energiereiche innere Jet diesmal gut beobachtet werden. Die Chance für eine so genaue Ausrichtung dürfte sich nur einmal in zehn Jahren bieten. Natürlich kommt es der Menschheit dann durchaus gelegen, wenn das gefeierte Ereignis das halbe Universum entfernt statt findet, anstelle zum Beispiel in der nächsten stellaren Nachbarschaft.

Als GRB 080319B im März von dem NASA/STFC/ASI-Satelliten Swift im Sternbild Bärenhüter entdeckt wurde, reagierte prompt eine ganze Schar von erdbasierten Teleskopen, um das neue Himmelsobjekt zu studieren. Darunter auch das Very Large Telescope der ESO, dem als Erstem die Messung der Entfernung des Objekts gelang: 7,5 Milliarden Lichtjahre.

Das sichtbare Licht des Ausbruchs wurde weltweit von einer Handvoll von Observatoriumskameras mit sehr weitem Sichtfeld aufgezeichnet, die ständig einen großen Ausschnitt des Himmels beobachten. Eine davon war die TORTORA-Kamera, die am 0,6-Meter-REM-Teleskop des La Silla-Obervatoriums der ESO montiert ist. TORTORAs schneller Bildfolge war die detaillierteste Messung des sichtbaren Lichtes von GRB 080319B zu verdanken. „Wir haben lange auf so etwas gewartet“, sagte der leitende TORTORA-Wissenschaftler Grigory Beskin von Russlands Astrophysikalischem Observatorium. Die Daten, die TORTORA und Swift simultan aufgezeichnet haben, dienten den Forschern als Grundlage zur Aufklärung dieses astronomischen Großereignisses.

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Ein Beitrag von Ingo Froeschmann. Quelle: New Scientist.

Theorien dieser Art sind sehr schwer zu verifizieren. Eine neue Studie gibt jedoch Anlass zur Vermutung, dass diese versteckten Dimension Tausende von kleinen Schwarzen Löchern in unserem Sonnensystem entstehen lassen. Die Theorie könnte innerhalb weniger Jahre in der Umlaufbahn des Pluto getestet werden.

Schwarze Löcher verschiedener Größe, so eine Theorie, sind durch das Zusammenballen von Elementarteilchen innerhalb der ersten Sekunde nach dem Urknall entstanden. Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie sollten die kleinsten dieser Schwarzen Löcher bereits durch den Prozess der Hawking Strahlung verdampft sein.

Nach einigen alternativen Theorien, welche die Gravitation mit der Quantenmechanik (z. B. der String-Theorie) zu vereinigen suchen, könnten Schwarze Löcher immer noch existieren. Der Grund sind Theorien, die zusätzliche räumliche Dimensionen vorschlagen, in denen sich die Gravitationskraft anders verhält. Die Allgemeine Relativitätstheorie postuliert drei räumliche Dimensionen und die Zeit.

„Diese zusätzliche räumliche Dimension verändert die Geschwindigkeit, mit der ein Schwarzes Loch strahlt, die Verdampfung verlangsamt sich also deutlich“, sagt Charles Keeton, ein Physiker an der Rutgers University in New Jersey.

Keeton und sein Kollege Arlie Petters von der Duke University in North Carolina haben die Anzahl der noch existierenden Schwarzen Löcher errechnet und wie sie gefunden werden könnten.

Die Theorie die sie verwenden, sie nennt sich „Randall-Sundrum braneworld model“, geht davon aus, dass unser 3D-Universum in einem größeren Universum mit einer weiteren Dimension existiert.

Ihre Berechnungen basieren auf Schwarzen Löchern, von denen jedes nur die Masse eines kleinen Asteroiden besitzt. Angenommen diese Objekte besitzen ein Prozent der Masse der benachbarten Dunklen Materie – deren Existenz nur durch Gravitationswirkung auf normale Materie erkannt werden kann – dann könnten mehrere Tausend Schwarze Löcher in unserem Sonnensystem existieren. Und nicht nur das: „Die nächstgelegenen sollten sich innerhalb der Umlaufbahn des Pluto befinden“, sagt Keeton.

Die Forscher glauben, dass diese Schwarzen Löcher bald entdeckt werden. Ihre Anziehungskraft sollte das Licht in ihrer Nähe krümmen, so dass Licht das eine Seite des Schwarzen Lochs passiert länger unterwegs ist als das Licht auf der anderen Seite des Schwarzen Lochs. Dieser Zeitunterschied ist extrem klein, so dass die einzige Chance es zu messen in Lichtwellen besteht, deren Periode (die Zeit, in der das Licht eine Wellenlänge zurücklegt) kleiner ist als die durch das Schwarze Loch verursachte Verzögerung.

Das Licht der flüchtigen Gammastrahlenausbrüche (gamma ray burst, GRB) hat genau die richtige Periode für diesen Test. Die GRBs enthalten energiereiche Gammastrahlung, die wahrscheinlich durch den Tod oder den Zusammenstoß von sehr schweren Sternen erzeugt wird.

Das Licht, das auf verschiedenen Wegen das Schwarze Loch passiert, wird anschließend wieder zusammengeführt und zeigt ein Interferenzmuster. „Die Krümmung des Lichts durch das Schwarze Loch bringt das Energiespektrum durcheinander, so dass in einigen Bereichen viele Photonen auftreten und in anderen sehr wenige“, sagt Keeton.

Die zur Zeit betriebenen Teleskope können die Theorie nicht testen, da sie die dafür notwendigen hochenergetischen Gammastrahlen nicht beobachten können. Der NASA-Satellit GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), dessen Start für August 2007 geplant ist, kann die Gammastrahlung jedoch beobachten. „Sollten wir das erwartete Signal sehen, dann wäre die nahe liegende Erklärung die Existenz winziger Schwarzer Löcher“, sagt Keeton.

Die Forscher müssten anschließend die Daten analysieren, um die Masse der Schwarzen Löcher zu ermitteln. „Ist diese unterhalb einer bestimmten Grenze, dann können wir daraus schließen, dass es Schwarze Löcher innerhalb der allgemeinen Relativität nicht geben kann, da sie inzwischen verdampft sind“, sagt Keeton.

„Wir glauben, dass wir eine genaue Vorhersage für eine astronomische Messung machen können, die dann eine Untersuchung der vierten Dimension ermöglichen würde.“

Der Beitrag Satellit für die vierte Dimension erschien zuerst auf Raumfahrer.net.