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: NASA, 6. Dezember 2024.

6. Dezember 2024 – Das stellare Schwarze Loch, Teil des Doppelsternsystems Swift J1727.8-1613, wurde im Sommer 2023 während eines ungewöhnlichen Aufhellungsereignisses entdeckt, bei dem es kurzzeitig fast alle anderen Röntgenquellen überstrahlte. Es ist das erste seiner Art, das von IXPE während des Beginns, des Höhepunkts und des Endes eines derartigen Röntgenausbruchs beobachtet wurde.

Swift J1727 ist Gegenstand einer Reihe neuer Studien, die in den Zeitschriften The Astrophysical Journal und Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden. Die Wissenschaftler sagen, dass die Ergebnisse neue Einblicke in das Verhalten und die Entwicklung von binären Röntgensystemen mit schwarzen Löchern liefern.

„Dieser Ausbruch hat sich unglaublich schnell entwickelt“, sagt die Astrophysikerin Alexandra Veledina, die an der Universität Turku in Finnland forscht. „Von unserer ersten Entdeckung des Ausbruchs an dauerte es nur wenige Tage, bis Swift J1727 seinen Höhepunkt erreichte. Zu diesem Zeitpunkt hatten IXPE und zahlreiche andere Teleskope und Instrumente bereits Daten gesammelt. Es war sehr aufregend, den Ausbruch bis zu seiner Rückkehr in die Inaktivität zu beobachten.“

Bis Ende 2023 blieb Swift J1727 kurzzeitig heller als der Krebsnebel, die Standard-Röntgenkerze“, die als Basis für Einheiten der Röntgenhelligkeit verwendet wird. Solche Ausbrüche sind bei Doppelsternsystemen nicht ungewöhnlich, aber selten treten sie so hell und so nah an der Erde auf – nur 8.800 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Doppelsternsystem wurde zu Ehren der Swift Gamma-ray Burst Mission benannt, die den Ausbruch mit ihrem Burst Alert Telescope am 24. August 2023 entdeckte, was zur Entdeckung des Schwarzen Lochs führte.

Röntgendoppelsterne bestehen in der Regel aus zwei nahe beieinander liegenden Sternen, die sich in unterschiedlichen Stadien ihres Lebenszyklus befinden. Wenn dem älteren Stern der Brennstoff ausgeht, explodiert er in einer Supernova und hinterlässt einen Neutronenstern, einen Weißen Zwerg oder ein Schwarzes Loch. Im Fall von Swift J1727 riss die starke Schwerkraft des entstehenden Schwarzen Lochs Material von seinem Begleitstern ab, das auf über 1,8 Millionen Grad Celsius erhitzt wurde und einen gewaltigen Ausstoß von Röntgenstrahlung erzeugte. Diese Materie bildete eine Akkretionsscheibe und kann eine überhitzte Korona enthalten. An den Polen des Schwarzen Lochs kann die Materie auch in Form von relativistischen Strahlen aus dem Doppelsternsystem entweichen.

Das IXPE, das der NASA und anderen Forschern bei der Untersuchung all dieser Phänomene geholfen hat, ist auf die polarisierte Röntgenstrahlung spezialisiert, eine Eigenschaft des Lichts, die dazu beiträgt, die Form und Struktur solcher ultrastarken Energiequellen zu kartografieren und ihr Innenleben zu beleuchten, selbst wenn sie für uns zu weit entfernt sind, um sie direkt zu sehen.

„Da das Licht selbst ihrer Schwerkraft nicht entkommen kann, können wir Schwarze Löcher nicht sehen“, sagte Alexandra Veledina, Astrophysikerin bei der NASA. „Wir können nur beobachten, was um sie herum geschieht, und Rückschlüsse auf die Mechanismen und Prozesse ziehen, die dort ablaufen. IXPE ist entscheidend für diese Arbeit.“

Zwei der IXPE-basierten Untersuchungen von Swift J1727, die von Veledina und Adam Ingram, einem Forscher an der Newcastle University in Newcastle-upon-Tyne, England, geleitet wurden, konzentrierten sich auf die ersten Phasen des Ausbruchs. Während der kurzen Zeitspanne von einigen Monaten, in der die Quelle außergewöhnlich hell wurde, war die Korona die Hauptquelle der beobachteten Röntgenstrahlung.

„IXPE dokumentierte eine Polarisation der Röntgenstrahlung, die sich entlang der geschätzten Richtung des Jets des Schwarzen Lochs ausbreitet, so dass sich das heiße Plasma in der Ebene der Akkretionsscheibe ausbreitet“, sagte Veledina. „Ähnliche Befunde wurden bei dem persistenten Schwarzen Loch Cygnus X-1 gemeldet, so dass dieser Befund dazu beiträgt, zu bestätigen, dass die Geometrie bei kurzlebigen eruptiven Systemen die gleiche ist.“

Das Team beobachtete außerdem, wie sich die Polarisationswerte während des Spitzenausbruchs von Swift J1727 veränderten. Diese Schlussfolgerungen stimmten mit den Ergebnissen überein, die gleichzeitig bei Untersuchungen anderer Energiebänder elektromagnetischer Strahlung gewonnen wurden.

Eine dritte und eine vierte Studie unter der Leitung der Forscher Jiří Svoboda und Jakub Podgorný, beide von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag, konzentrierten sich auf die Röntgenpolarisation während des zweiten Teils des Ausbruchs von Swift J1727 und seiner Rückkehr zu einem hochenergetischen Zustand mehrere Monate später. Für seine früheren Arbeiten mit IXPE-Daten und Simulationen von Schwarzen Löchern wurde Podgorný kürzlich mit dem höchsten nationalen Preis der Tschechischen Republik für eine Doktorarbeit in den Naturwissenschaften ausgezeichnet.

Die Polarisationsdaten zeigten, dass sich die Geometrie der Korona zwischen dem Beginn und dem Ende des Ausbruchs nicht wesentlich verändert hat, obwohl sich das System in der Zwischenzeit weiterentwickelt hat und die Röntgenhelligkeit im späteren energetischen Zustand dramatisch abnahm.

Die Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der sich verändernden Formen und Strukturen von Akkretionsscheiben, Korona und verwandten Strukturen bei Schwarzen Löchern im Allgemeinen dar. Die Studie zeigt auch den Wert von IXPE als Instrument, um zu bestimmen, wie all diese Elemente des Systems miteinander verbunden sind, sowie sein Potenzial, mit anderen Observatorien zusammenzuarbeiten, um plötzliche, dramatische Veränderungen im Kosmos zu beobachten.

„Weitere Beobachtungen von Materie in der Nähe von Schwarzen Löchern in Doppelsternsystemen sind notwendig, aber die erfolgreiche erste Beobachtungskampagne von Swift J1727.8-1613 in verschiedenen Zuständen ist der beste Anfang eines neuen Kapitels, das wir uns vorstellen können“, sagte Michal Dovčiak, Mitautor der Reihe von Veröffentlichungen und Leiter der IXPE-Arbeitsgruppe über Schwarze Löcher mit stellarer Masse, der auch an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften forscht.

Mehr über IXPE

IXPE ist eine gemeinsame Mission der NASA und der italienischen Weltraumbehörde, die mit Partnern und wissenschaftlichen Mitarbeitern aus 12 Ländern bahnbrechende Entdeckungen über Himmelsobjekte im gesamten Universum ermöglicht. IXPE wird vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, geleitet. Ball Aerospace mit Hauptsitz in Broomfield, Colorado, leitet den Betrieb der Raumsonde zusammen mit dem Laboratory for Atmospheric and Space Physics der Universität Colorado in Boulder.

Weitere Informationen über die laufende Mission von IXPE finden Sie hier: https://www.nasa.gov/mission/imaging-x-ray-polarimetry-explorer-ixpe/

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• IXPE auf Falcon 9 (B1061.5)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: 12. Oktober 2022. Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.

Cambridge, Mass. – Im Oktober 2018 wurde ein kleiner Stern in Stücke gerissen, als er zu nahe an einem Schwarzen Loch in einer Galaxie in 665 Millionen Lichtjahren Entfernung von der Erde vorbeizog. Auch wenn es aufregend klingen mag, kam das Ereignis für Astronomen, die beim Scannen des Nachthimmels gelegentlich Zeugen solcher gewalttätigen Vorfälle werden, nicht überraschend.

Doch fast drei Jahre nach dem Massaker erhellt dasselbe Schwarze Loch den Himmel erneut – und es hat nichts Neues verschluckt, sagen die Wissenschaftler. „Das hat uns völlig überrascht – niemand hat so etwas je zuvor gesehen“, sagt Yvette Cendes, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) und Hauptautorin einer neuen Studie, die das Phänomen analysiert.

Das Team kommt zu dem Schluss, dass das Schwarze Loch nun Material ausstößt, das sich mit halber Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, ist sich aber nicht sicher, warum der Ausfluss um mehrere Jahre verzögert wurde. Die Ergebnisse, die diese Woche im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, könnten den Wissenschaftlern helfen, das Fressverhalten von Schwarzen Löchern besser zu verstehen, das Cendes mit dem „Rülpsen“ nach einer Mahlzeit vergleicht.

Das Team entdeckte den ungewöhnlichen Ausbruch bei der Überprüfung von Gezeitenstörungen (TDEs) – wenn eindringende Sterne von Schwarzen Löchern zerstückelt werden -, die in den letzten Jahren aufgetreten sind. Radiodaten des Very Large Array (VLA) in New Mexico zeigten, dass das Schwarze Loch im Juni 2021 auf mysteriöse Weise wieder aufgetaucht war. Cendes und sein Team beeilten sich, das Ereignis genauer zu untersuchen.

Wir beantragten „Director’s Discretionary Time“ für mehrere Teleskope, denn wenn man etwas so Unerwartetes findet, kann man nicht auf den normalen Zyklus der Teleskopanträge warten, um es zu beobachten“, erklärt Cendes. „Alle Anträge wurden sofort angenommen.“ Das Team sammelte Beobachtungen des TDE, das den Namen AT2018hyz trägt, in verschiedenen Wellenlängen des Lichts mit Hilfe des VLA, des ALMA-Observatoriums in Chile, des MeerKAT in Südafrika, des Australian Telescope Compact Array in Australien sowie des Chandra X-Ray Observatoriums und des Neil Gehrels Swift Observatoriums im Weltraum. Die Radiobeobachtungen der TDE erwiesen sich als am auffälligsten.

„Wir untersuchen TDEs seit mehr als einem Jahrzehnt mit Radioteleskopen und stellen manchmal fest, dass sie in Radiowellen leuchten, wenn sie Material ausspucken, während der Stern zunächst von dem Schwarzen Loch verschlungen wird“, sagt Edo Berger, Professor für Astronomie an der Harvard University und am CfA und Mitautor der neuen Studie. „Aber bei AT2018hyz herrschte in den ersten drei Jahren Funkstille, und jetzt leuchtet er dramatisch auf und wird zu einem der am stärksten im Radio leuchtenden TDEs, die je beobachtet wurden.“

Sebastian Gomez, Postdoktorand am Space Telescope Science Institute und Mitautor der neuen Arbeit, sagt, dass AT2018hyz im Jahr 2018 „unauffällig“ war, als er es zum ersten Mal mit Teleskopen für sichtbares Licht untersuchte, darunter das 1,2-Meter-Teleskop am Fred Lawrence Whipple Observatory in Arizona. Gomez, der damals zusammen mit Berger an seiner Doktorarbeit arbeitete, berechnete anhand theoretischer Modelle, dass der vom Schwarzen Loch zerrissene Stern nur ein Zehntel der Masse unserer Sonne hatte. „Wir haben AT2018hyz mehrere Monate lang im sichtbaren Licht beobachtet, bis er verblasste, und ihn dann aus unserem Gedächtnis gelöscht“, sagt Gomez.

TDEs sind dafür bekannt, dass sie Licht emittieren, wenn sie auftreten. Wenn sich ein Stern einem Schwarzen Loch nähert, beginnen die Gravitationskräfte, den Stern zu dehnen oder zu spaghettisieren. Schließlich dreht sich das gedehnte Material spiralförmig um das Schwarze Loch und erhitzt sich, wodurch ein Lichtblitz entsteht, den Astronomen noch aus Millionen von Lichtjahren Entfernung erkennen können. Gelegentlich wird etwas spaghettiertes Material zurück ins All geschleudert. Astronomen vergleichen dies mit schwarzen Löchern, die unordentliche Esser sind – nicht alles, was sie zu verzehren versuchen, schafft es in ihren Mund. Aber die Emission, die als Ausfluss bekannt ist, entwickelt sich normalerweise schnell nach dem Auftreten einer TDE – nicht erst Jahre später. „Es ist, als ob dieses Schwarze Loch plötzlich anfängt, einen Haufen Material von dem Stern, den es vor Jahren verschlungen hat, auszuspucken“, erklärt Cendes. In diesem Fall sind die Rülpser gewaltig.

Der Ausfluss von Material bewegt sich mit bis zu 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Zum Vergleich: Die meisten TDEs haben einen Ausfluss, der sich mit 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, sagt Cendes. „Dies ist das erste Mal, dass wir eine so lange Verzögerung zwischen dem Einströmen und dem Ausströmen beobachten konnten“, sagt Berger. „Der nächste Schritt besteht darin, zu untersuchen, ob dies tatsächlich häufiger vorkommt und wir uns TDEs einfach nicht spät genug in ihrer Entwicklung angesehen haben.“

Weitere Co-Autoren der Studie sind Kate Alexander und Aprajita Hajela von der Northwestern University; Ryan Chornock, Raffaella Margutti und Daniel Brethauer von der University of California, Berkley; Tanmoy Laskar von der Radboud University; Brian Metzger von der Columbia University; Michael Bietenholz von der York University und Mark Wieringa von der Australia Telescope National Facility.

Über das Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian

Das Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian ist eine Zusammenarbeit zwischen Harvard und dem Smithsonian mit dem Ziel, die größten ungelösten Fragen der Menschheit über die Natur des Universums zu stellen und letztendlich zu beantworten. Das Center for Astrophysics hat seinen Hauptsitz in Cambridge, MA, und verfügt über Forschungseinrichtungen in den USA und der ganzen Welt.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

28. Januar 2022 – Im Juli 2020, kurz nach dem Start seiner zweiten Himmelsdurchmusterung, entdeckte das eROSITA-Röntgenteleskop an Bord des Weltraumobservatoriums SRG eine neue Quelle an einer Position, an der bisher keine Röntgenstrahlen nachgewiesen wurden. Als die Astrophysiker daraufhin die Datenbank der optischen Veränderlichen überprüften, stellte sich heraus, dass etwa vierzig Tage zuvor die „Zwicky Transient Facility“ (ZTF) und das „Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System“ (ATLAS) an derselben Stelle eine scheinbar gewöhnliche, optische Veränderliche mit der Bezeichnung AT2020mrf registriert hatten. Diese wurde zunächst als Supernova vom Typ II eingestuft, also als massereicher Stern, der am Ende seines Lebens kollabiert. Diese ursprüngliche Klassifizierung änderte sich jedoch grundlegend durch die eROSITA-Entdeckung der Röntgenemission und die Form der optischen Lichtkurve der Quelle. Es wurde klar, dass die Astrophysiker auf ein noch interessanteres Objekt gestoßen waren.

Es gibt eine Klasse optischer Veränderlicher, die mit Supernova-Explosionen in Verbindung gebracht werden und die sich durch schnelle Lichtkurven und zu viel Blau in ihren Spektren auszeichnen, die so genannten „Fast Blue Optical Transients“ (FBOTs). Da ihre Helligkeit schnell abfällt, kann man sie nur schwer untersuchen. Allerdings gibt es darunter eine geheimnisvolle und seltene Unterklasse, die sogenannten AT2018cow-ähnlichen Objekte. Die Namen der von der ATLAS-Anlage entdeckten optischen Transienten (daher die Buchstaben „AT“ im Namen) werden nach dem Jahr der Entdeckung (in diesem Fall 2018) benannt, gefolgt von einer Kombination aus mehreren Buchstaben, die von einem Computer generiert werden. In diesem Fall bildeten die Buchstaben zufällig das englische Wort „cow“ – daher nennen die Astronomen diese Klasse nun „Kuh“-ähnliche Objekte. Vor der Entdeckung von SRGe J154754.2+443907 waren nur vier solcher Objekte bekannt; die SRG/eROSITA-Quelle war Nummer fünf.

„Kühe“ zeichnen sich durch eine rekordverdächtige Leuchtkraft aus (bis zu10⁴³ erg/s in der Spitze), die etwa 1000-mal heller ist als eine gewöhnliche Supernova vom Typ II. Eine solche Leuchtkraft kann nicht durch den Zerfall von radioaktivem Nickel-56 erklärt werden und erfordert eine alternative Energiequelle.

SRGe J154754.2+443907 wurde vom eROSITA-Team bei der Suche nach Ereignissen entdeckt, bei denen ein Stern durch die Gezeitenkräfte eines supermassereichen Schwarzen Lochs zerstört wird. Bald wurde jedoch klar, dass die Forscher es mit etwas Anderem zu tun hatten. Sie lösten daraufhin eine Beobachtungskampagne mit Teleskopen vom Radio- bis zum Röntgenbereich aus, um die neue Quelle bei weiteren Wellenlängen zu untersuchen. Dies bestätigte, dass SRGe J154754.2+443907 das fünfte „Kuh“-artige Objekt ist. An den Multiwellenlängenbeobachtungen waren das 10-Meter-Keck-Teleskop, die Radioteleskope VLA und GMRT sowie die Röntgen-Weltraumobservatorien Chandra, XMM-Newton und Swift beteiligt. Das Programm wurde von einem Doktoranden des Caltech, Yuhan Yao, koordiniert.

Das eROSITA-Teleskop beobachtete dieses Objekt kurz nach dem Höhepunkt der Lichtkurve. Diese Beobachtungen haben gezeigt, dass AT2020mrf/SRGe J154754.2+443907 die hellste bekannte „Kuh“ ist, mit einer Leuchtkraft von über ~2 x 10⁴³ erg/s. Eine solche Leuchtkraft könnte von einem jungen, schnell rotierenden Neutronenstern (mit einer Periode von etwa 10 Millisekunden) mit einem Magnetfeld in der Größenordnung von 10¹⁴ Gauß stammen – einem so genannten Magnetar – oder auch von einem neu entstandenen Schwarzen Loch erzeugt werden, das Material des Vorgängersterns im superkritischen Bereich akkretiert. In jedem Fall haben die Wissenschaftler die Geburt eines relativistischen, kompakten Objekts durch die Explosion eines massereichen Sterns beobachtet.

Die neue „Kuh“ ist bereits verblasst, während viele Fragen noch unbeantwortet bleiben. Um die Natur dieser Quellen zu klären und die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die ihr Verhalten bestimmen, müssen die Wissenschaftler weitere Objekte dieser Klasse finden und im Detail untersuchen. Die laufende SRG/eROSITA-Durchmusterung des gesamten Himmels wird einen wichtigen Beitrag zu dieser Arbeit leisten.

Originalveröffentlichung
Yuhan Yao, Anna Y. Q. Ho, Pavel Medvedev, Nayana A. J., Daniel A. Perley, S. R. Kulkarni, Poonam Chandra, Sergey Sazonov, Marat Gilfanov, Georgii Khorunzhev, David K. Khatami, Rashid Sunyaev
The X-ray and Radio Loud Fast Blue Optical Transient AT2020mrf: Implications for an Emerging Class of Engine-Driven Massive Star Explosions
submitted to ApJ
https://arxiv.org/abs/2112.00751
pdf: https://arxiv.org/pdf/2112.00751

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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

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Quelle: TU Dortmund.

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Ein Beitrag von 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 Michael Clormann. Quelle: ESA, Astronomy&Astrophysics.

NGC 4845 ist, wie auch unsere Heimatgalaxie, Teil des Virgo-Superhaufens. Dementsprechend befindet sie sich, in astronomischen Maßstäben, in relativer Nachbarschaft zu uns. Sie ist eine Galaxie des Seyfert-Typs, welcher sich durch einen besonders hell leuchtenden und aktiven galaktischen Kern auszeichnet.

Aufmerksam geworden auf das neuartige Schauspiel waren die Astronomen eher zufällig im Januar 2011. Bei Beobachtungen einer anderen Region des Weltraum fing das europäische Weltraumobservatorium Integral in der Peripherie seines Blickfelds einen ungewöhnlich hellen Ausbruch im Spektralbereich harter Röntgenstrahlung auf, der bis Juli 2011 gut instrumentell erfassbar blieb. Die genaue Lokalisierung im Zentrum der Galaxie NGC 4845 erfolgte anschließend innerhalb weniger Tage mit der Hilfe weiterer Teleskope, darunter das ebenfalls europäische XMM-Newton, das US-amerikanische Swift und das japanische MAXI-Instrument an Bord der Internationalen Raumstation.

Zuvor war die Galaxie als eher ruhig eingeschätzt worden und verhielt sich im Hinblick auf Röntgen-Ausbrüche überwiegend unauffällig. In den Jahren zuvor war sie vor allem in anderen Bereichen, etwa dem Infraroten, astronomisch beobachtet worden.

Nach eingehenderer Untersuchung stellte sich heraus, dass die Quelle der starken Strahlung die Umgebung des verhältnismäßig kleinen supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum von NGC 4845 sein musste. Offenbar war ein sogenanntes Objekt planetarer Masse, also in der Regel ein „frei fliegender Planet“ ohne Umlaufbahn um einen Stern, von der Gravitation des Schwarzen Lochs zerrissen worden. Die vorliegenden Erkenntnisse weisen darauf hin, dass es sich um einen Körper mit einer Masse zwischen dem 14- und 30-fachen des Jupiters gehandelt haben muss. Wahrscheinlich war er, dieser Masse nach, als Brauner Zwerg oder sehr großer Gasriese einzustufen. Ob er vollständig zerstört wurde oder nur seine äußere Hülle an den Gravitationssog verloren hat, ist dabei bisher nicht abschließend geklärt.

Braune Zwerge sind große Himmelskörper, deren Masse dennoch nicht ganz ausreicht um den Prozess der Wasserstoff-Fusion in ihrem Inneren in Gang zu bringen. Aus diesem Grund handelt es sich bei ihnen, nach gängiger Definition, nicht um Sterne.

Interessant ist die Beobachtung des Verschlingens nicht-stellarer Körper auch in Hinblick auf die Vorgänge in der Milchstraße. Schon seit längerem ist bekannt, dass eine relativ kleine Gaswolke dem Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie immer näher kommt. Sie wird in naher Zukunft womöglich ein ähnliches Schicksal ereilen wie nun in NGC 4845 beobachtet. Weiterhin ist davon auszugehen, dass Ereignisse solcher Art sich auch in weiteren fremden Galaxien regelmäßig auffinden lassen. Die Chancen, sie zu entdecken, stehen mit dem heutigen astronomischen Instrumentarium nicht schlecht: Geräte wie das genannte Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) im japanischen Kibō-Modul der ISS durchmustern den Himmel gegenwärtig im Stundentakt nach vergleichbaren Strahlungsausbrüchen.

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• Planemo bzw. Objekte planetarer Masse
• Schwarze Löcher

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

Lulin alias C/2007 N3 wurde im Juli 2007 von Astronomen des Lulin Observatoriums in Taiwan entdeckt und kann zur Zeit von einem dunkeln Beobachtungstandpunkt mit dem bloßen Auge gerade eben so gesehen werden. Das im Bereich des sichtbaren Lichts grüne Leuchten des Kometen wird auf das Vorhandensein von Dicyan (NCCN) und zweiatomigem Kohlenstoff (C₂) zurückgeführt. Beide Substanzen leuchten im Sonnenlicht grünlich. Den kleinsten Abstand zur Erde wird Lulin am 24. Februar 2009 mit 61 Millionen Kilometern (0,41 AU) erreichen.
Der Komet stößt, da er sich in der Umgebung der Sonne befindet, große Mengen Gas aus, was ihn für Observationen im Röntgenstrahlenbereich prädestiniert. Aus geforenem Gas und Staub zusammengesetzt verliert der Komet in Sonnennähe bedeutende Mengen Material.

Am 28. Januar 2009 wurde Swift mit seinen Instrumenten Ultraviolet/Optical Telescope (UVOT) und X-Ray Telescope (XRT), die normalerweise zum Auffinden von Gammastrahlenausbrüchen (GRB) benutzt werden, testweise auf Lulin ausgerichtet. Dabei stellte man fest, dass der Komet ziemlich aktiv ist. Aus den Daten von UVOT schloss man, dass der Komet pro Sekunde über 3.000 Liter Wasser verliert. Das Wasser kann Swift nicht direkt feststellen, da aber UV-Licht von der Sonne Wassermoleküle innerhalb kürzester Zeit in Wasserstoff und Hydroxyl-Radikale aufspaltet, kann Swift mit UVOT die Hydroxylwolke um den Kometen erfassen. Diese Wolke hatte bei der Beobachtung einen Durchmesser von über 400.000 Kilometern.

Eingebaut in UVOT ist eine prismaähnliche Baugruppe namens Grism (aus grating und prism kombiniert), ein Gitterprisma, das die einfallende Strahlung wellenlängenabhägig aufspaltet. Die Bandbreite des Gitterprismas von UVOT beinhaltet den Wellenlängenbereich, in dem das Hydroxyl am aktivsten ist, was den Astronomen Gelegenheit gibt, sich besonders intensiv mit der Art und Menge des vom Kometen abgegebenen Gases beschäftigen zu können.

In den Falschfarbenbildern von Swift ist die von UVOT aufgefangene Strahlung in Blautönen dargestellt. Rottöne geben dagegen die von XRT empfangene Röntgenstrahlung wieder.

Die Röntgenstrahlung erreicht das Teleskop aus der Umgebung des Kometen, weil durch die UV-Strahlung das Hydroxyl weiter in Sauerstoff- und Wassestoffatome aufgespaltet wird, und diese Atome in Interaktion mit dem Sonnenwind, einem Partikelstrom von der Sonne, treten. Auf der der Sonne zugewandten Seite des Kometen ist die auffällige Röntgenstrahlung sichtbar. Diese kennt man auch von anderen Kometen, in der Regel konnte man Röntgenstrahlung bei Kometen messen, die sich innerhalb eines Sonnenabstands äquivalent zum dreifachen Abstand zwischen Erde und Sonne befanden.

Da der Komet Lulin in Sonnennähe so aktiv ist, ist die Wolke aus Atomen außergewöhnlich dicht, was zu einer besonders großen Ausdehnung der die Röntgenstrahlen emittierenden Zone in Richtung Sonne bewirkt.

Als erstes Weltraumteleskop ist Swift in der Lage, Beobachtungen in mehreren Wellenlängenbereichen gleichzeitig vorzunehmen. Es wird insbesondere für das Studium von Gammastrahlenausbrüchen verwendet. Mit drei Hauptinstrumenten können die Ausbrüche und deren Nachleuchten im Gammastahlen- und Röntgenstrahlenbereich sowie im Bereich des sichtbaren Lichts vorgenommen werden.

Swifts Mission war zunächst auf zwei Jahre angesetzt, wurde aber um vier weitere Jahre verlängert.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: New Scientist.

Am 13. September empfing die Sonde Swift die Gammastrahlung eines Ausbruchs aus einer Entfernung von 12,8 Milliarden Lichtjahren. Wie üblich bekam der Gammablitz eine Bezeichnung, die das Entdeckungsdatum enthält: GRB 080913.
Gammstrahlenausbrüche sind kurzzeitige aber gewaltige Emmissionen hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung und entstehen bei Sternzusammenbrüchen. Hunderte dieser Ausbrüche werden pro Jahr registriert. Mittlerweile gibt es mehrere Satelliten in Erdumlaufbahnen, die große Bereiche des Himmels überwachen und jede Erscheinung unverzüglich zur Erde weiterleiten. Hier werden dann große Teleskope ausgerichtet, um das Ereignis eingehender zu studieren.

Im März hatte man durch Zufall einen kompletten Burst beobachten können, weil kurz zuvor in derselben Himmelsregion ein GRB detektiert und die Erdteleskope bereits dorthin ausgerichtet waren (Raumfahrer.net berichtete).
Der neue Rekordhalter ist allerdings nur 70 Millionen Lichtjahre weiter entfernt als der bisherige.

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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 Daniel Schiller. Quelle: NASA. Vertont von Karl Urban.

Am 25. Januar 2007 wurde durch Satelliten des interplanetaren Netzwerks ein Gammastrahlungsausbruch registriert. Durch den NASA-Satelliten SWIFT wurde der Ausbruch mit der Bezeichnung GRB 070125 (Gamma Ray Burst) im Zwillingssternbild lokalisiert. Durch erdgebundene Teleskope wurden daraufhin weitere Beobachtungen unternommen.

Die Untersuchungen ergaben zwei Besonderheiten. Im Vergleich zu bekannten GRBs wurden keine Spuren von dichtem Gas im Umfeld der Quelle entdeckt. Außerdem lag der Ausbruch, der in einer Entfernung von 9,4 Milliarden Lichtjahren stattfand, 88.000 Lichtjahre von der nächsten Galaxie entfernt. Nach bisherigen Erkenntnissen entstehen GRBs durch die Explosion schwerer Sterne. Diese haben nur eine kurze Lebensdauer, da sie ihren Brennstoff sehr schnell verbrauchen. Damit findet man solche Sterne normalerweise nur in der Nähe ihres Entstehungsorts, also den Gas- und Staubwolken der Galaxien.

GRB 070125 hingegen entstand mitten im Nichts. Wenn ein schwerer Stern die Quelle gewesen sein soll, muss erklärt werden, wie er es von seiner Geburtsstätte in diese leere Zone des Weltalls schaffen konnte. Die wahrscheinlichste Erklärung dürfte sein, dass der dahin geschiedene Stern am Rand einer Galaxie entstand, welche von einer weiteren nahen Galaxie beeinflusst wurde. Durch diese Wechselwirkung zwischen zwei Galaxien kann hinter einer Galaxie ein Schweif aus deren äußeren Armen entstehen. Sollte diese Theorie auch auf den Ort von GRB 070125 zutreffen, müsste sich ein Schweif durch langzeitbelichtete Aufnahmen feststellen lassen. Geplant ist jetzt, mittels des Hubble Space Telescopes eine solche Aufnahme dieser Region des Weltalls anzufertigen.

• SWIFT-Homepage der NASA
• Hubble-Homepage der NASA
• Wikipediaartikel zur GRBs

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA/GSFC.

Die Galaxie MCG +05-43-16 ist 380 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Bisher haben Astronomen noch keine Supernova in dieser Sternansammlung beobachtet. Eine Supernova ist eine extrem energiereiche Explosion, die das Ende eines großen Sterns in seiner bisherigen Form anzeigt.

Was das Ereignis noch ungewöhnlicher macht, ist die Tatsache, dass die Supernovae nicht vom selben Typ waren. Supernova 2007ck, die zuerst am 19. Mai beobachtet wurde, ist ein Typ II-Ereignis, welches ausgelöst wird, wenn einem großen Stern der nukleare „Brennstoff“ ausgeht. Er stürzt dann unter seiner eigenen Schwerkraft in sich zusammen – was wiederum eine Schockwelle auslöst, die seine äußere Hülle absprengt und in Fetzen reißt.

Hingegen ist die am 4. Juni entdeckte Supernova 2007co vom Typ Ia, der sich ereignet, wenn ein Weißer Zwerg als Teil eines Binärsternsystems so viel Material von seinem Kompagnon an sich gezogen hat, dass er explodiert wie eine gigantische thermonukleare Bombe. Ein Weißer Zwerg ist der übrig gebliebene Kern eines Sterns, der seinerseits in einer früheren Supernova seine äußere Hülle abgesprengt hat – er hat in etwa die Größe der Erde, aber die Masse der Sonne.

„In den meisten Galaxien geschieht eine Supernova alle 25 bis 100 Jahre, daher ist dieser Fall mit zwei Supernovae innerhalb von 16 Tagen so bemerkenswert“, sagt Dr. Stefan Immler vom Goddard Raumfahrtzentrum der NASA. Schon 2006 fotografierte Immler mit dem Swift-Satelliten zwei Supernovae in der elliptischen Galaxie NGC 1316, die beide vom Typ Ia waren und in sechs Monaten Abstand entdeckt wurden. Immler stammt aus Nabburg in Bayern und studierte Astronomie in München und London. Seit 2004 ist er am Goddard-Zentrum beschäftigt.
Die gleichzeitige Entdeckung von zwei Supernovae in einer Galaxie aus der Sicht der Erde ist zwar extrem selten, aber ist dennoch nichts weiter als Zufall und macht deren Heimatgalaxie nicht etwa zu etwas Besonderem. Da die beiden Supernovae Zehntausende von Lichtjahren voneinander entfernt sind, würden Beobachter aus anderen Galaxien, oder auch in der Galaxie MCG +05-43-16 selbst, die beiden Supernovae erst in Tausenden von Jahren Abstand voneinander wahrnehmen.

Der Beitrag Zwei Supernovae in einer Galaxie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: CfA.

Möglicherweise waren die ersten Sterne viel schwerer als die heutigen. So wird angenommen, dass die ersten Sterne zwischen 50- und 500-mal schwerer waren als unsere heutige Sonne. Sie wuchsen schnell heran und starben dementsprechend auch viel schneller und endeten in einer massiven Supernova, die durch ihre Explosion die nähere Umgebung beeinflusst haben. Supernovae Ausbrüche könnten auch die Quelle der Gamma-Strahlen Ausbrüche sein, die zu den gewaltigsten Explosionen und Ausbrüchen im Weltall zählen.
Die Fragen wie die ersten Sterne aussahen, wie sie lebten und wie sie starben konnten bis heute nicht gelöst werden. Die Forscher haben zwar Ideen aber keine wirkliche Ahnung und keine Ansätze. Die ersten Sterne waren so weit entfernt, dass sie selbst für unsere besten Teleskope unsichtbar sind. Möglicherweise haben die Forscher die Gamma-Strahlen Ausbrüche der ersten Hypernovae (energiereicher als eine Supernova) entdeckt. Dies könnte eine Lücke sein um zu dem Licht der ersten Sterne vorzudringen. Vor kurzen hat der NASA Satellit SWIFT erst den ältesten Stern entdeckt, der 13 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist und bietet einen Einblick in das frühe Universum. Volker Bromm und Avi Loeb, beide Theoretiker an astronomischen Universitäten, glauben, dass SWIFT im Laufe seiner Mission noch mehrere und ältere Sterne entdecken wird können. Nicht nur deren Geburt sondern deren Tod wird SWIFT nicht verborgen bleiben, wenn es nach den beiden Theoretikern geht.

„Bisherige Gamma-Strahlen-Ausbrüche kommen leider nur von der zweiten Generation an Sternen oder späteren Generationen“, meint Avi Loeb. „Wenn wir aber Glück haben, kann SWIFT endlich tiefer in die Vergangenheit unseres Universums blicken. Sterne die aus Elementen entstanden sind, von denen wir leider noch keine Ahnung haben. Es wird vermutet, dass es sich um Sterne handelt die aus Helium und Wasserstoff entstanden.“ Erste Berechnungen ergaben, dass die Sterne früher um einiges schwerer waren als jetzt. Ältere Sternen werden als Population III Sterne genannt. Population III Sterne lebten nicht so lang und starben relativ früh und beeinflussten ihre nähere Umgebung. Bisherige Gamma-Strahlen-Ausbrüche waren laut Loeb vielleicht noch von keinen einzigen Population III Stern. 

Eine Schlüsselfrage für Bromm und Loeb ist die Tatsache, ob die Pop. III Sterne Gamma-Strahlen-Ausbrüche erzeugen können, die 13 Milliarden Lichtjahre später noch immer von uns gesehen werden können. Laut den beiden Theoretikern ist dies auf alle Fälle möglich, da die Sterne groß genug waren um eine derartige große Explosion zu erzeugen. Möglicherweise waren es auch Zwei-Sterne oder mehr Sterne Systeme die explodierten und dementsprechend genug Kraft hätten so einen Gamma-Strahlen-Ausbruch zu erzeugen. 

Die Frage wie die ersten Sterne aussahen, wird so schnell nicht beantwortet werden können. Das Interesse steigert sich von Entdeckung und Entdeckung von SWIFT und anderen Satelliten.

Der Beitrag Suche nach ersten Sternen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.