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Ein Gammablitz, der sonderbar nachglüht


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 11/2021 vom 08.10.2021

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 11/2021

Stellarer Energiestrahl: Die künstlerische Darstellung stellt einen hochenergetischen und relativistischen Materiejet dar. Er wird im Zuge einer Supernova-Explosion beim Kollaps eines massereichen Sterns freigesetzt und erzeugt dabei energiereiche Gammastrahlung.

Animation des Gammastrahlenausbruchs bei einer Supernova-Explosion: suw.link/2111-GRB

Vor rund einer Milliarde Jahren war in der Galaxie SDSS J025810.28-085719.2 im Sternbild Eridanus einiges los: Eine der größten Explosionen des Universums hatte dort stattgefunden. Wahrscheinlich kollabierte in dieser Galaxie in just jenem Moment ein massereicher Stern zu einem Schwarzen Loch und schickte, sozusagen als letztes Hurra, einen Gammablitz ins All. Er wurde am 29. August 2019 von irdischen Teleskopen aufgefangen. Gemäß des Datums der Messung erhielt er die Bezeichnung GRB 190829A.

So spektakulär »eine der größten Explosionen im Universum« ...

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... zunächst klingen mag: Gammablitze sind keine seltenen Ereignisse (siehe SuW 3/2020, S. 30, und SuW 6/2020, S. 22). Doch seit ihrer Entdeckung in den 1960er Jahren geben sie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern einige Rätsel auf. Eines davon ist mit GRB 190829A noch ein wenig spannender geworden, wie ein Team der H.E.S.S.-Kollaboration im Fachmagazin »Science« berichtet.

Gammablitze, auch Gammastrahlenausbrüche oder auf Englisch »gamma-ray bursts«, kurz GRBs, genannt, sind ultraschnelle, extrem energiereiche Strahlenausbrüche. Eng gebündelt in Form von zwei gegenläufigen Jets schießen sie ins All. Dabei setzen sie innerhalb kürzester Zeit so viel Energie frei wie unsere Sonne in einigen Milliarden Jahren. Die Ereignisse wurden mehr oder weniger zufällig in den 1960er Jahren entdeckt. GRBs treffen aus allen Richtungen auf die Erde und Satelliten auf ihren Umlauf bahnen. Dort lauert dann ein Weltraumteleskop für die Gammaastronomie wie Fermi oder Swift. Die beiden waren es auch, die an jenem 29. August 2019 den Gammablitz GRB 190829A erfasst hatten.

Gammablitz geschah in kosmischer Nachbarschaft

Während der eigentliche Gammablitz ein eher kurzes Ereignis von oft nur wenigen Sekunden Dauer ist, kann sein Nachglühen mehrere Tage anhalten. Es deckt einen großen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spek trums ab, bis hin zur hochenergetischen Strahlung von einigen Teraelektronvolt (TeV): Dabei handelt es sich um Photonen, die Billionen Mal so energiereich sind wie sichtbares Licht. Teams auf der Erde bekommen davon eher selten etwas mit.

Das liegt hauptsächlich daran, dass Gammablitze meistens ziemlich weit weg entstehen – viel weiter, als die rund eine Milliarde Lichtjahre von GRB 190829A. Auf ihrem langen Weg durch Raum und Zeit des Alls wird gerade die energiereiche Strahlung durch Kollisionen mit intergalaktischer Materie abgeschwächt und geht sozusagen verloren.

Aber wie steht es bei rund einer Milliarde Lichtjahre Entfernung wie bei GRB 190829A? Das zählt gewissermaßen zur kosmischen Nachbarschaft. Wegen dieser Nähe gelang es den Wissenschaftlern der H.E.S.S.-Kollaboration, das Nachleuchten von GRB 190829A auf der Erde bei Energien bis hin zu 3,3 Teraelektronvolt nachzuweisen.

Direkt wäre das übrigens nicht möglich: Die hochenergetischen Lichtteilchen, die Photonen, treffen nach ihrer Reise durchs All auf die Moleküle der Erdatmosphäre. Dort lösen sie einen Schauer aus niederenergetischen Sekundärteilchen aus, deren schwaches Fluoreszenzlicht sich von Teleskopen wie H.E.S.S., dem High Energy Stereoscopic System in Namibia, aufgefangen lässt. So konnten die Forschenden das Energiespektrum des Nachleuchtens des Gammablitzes messen.

Röntgen- und Gammastrahlung sollten unterschiedlich entstehen

Dabei machten sie eine sonderbare Entdeckung: Der Anteil an Röntgenstrahlung im Nachleuchten sowie der Anteil an energiereicher Gammastrahlung waren verblüffend ähnlich. Das Nachleuchten verblasste beispielsweise in beiden Wellenlängenbereichen auf gleichartige Weise und auch vergleichbar schnell. Demzufolge liegt den beiden Komponenten möglicherweise derselbe physikalische Mechanismus zu Grunde.

Das aber widerspricht der gängigen Theorie, wie Gammablitze erzeugt werden und mit ihrem Umfeld in Wechselwirkung treten, beziehungsweise, wie es überhaupt möglich ist, Gammateilchen mit Energien im Bereich von Teraelektronvolt zu erzeugen.

Für Röntgenstrahlung schien die Sache klar: Sie sollte entstehen, wenn sich geladene Teilchen wie etwa Elektronen auf gekrümmten Bahnen durch Magnetfelder bewegen. Magnetfelder und geladene Teilchen gibt es in einer derartigen Umgebung in Hülle und Fülle. Irdische Teilchenbeschleuniger funktionieren auf ganz ähnliche Art und Weise. Mit ihnen erzeugen Forschende Synchrotronstrahlung.

Die Synchrotronstrahlung gibt ein Rätsel auf statt zwei

Genau dieser Prozess müsste bei noch höheren Energien allerdings versagen: Elektronen sollten sich nicht schnell genug bewegen können, um ihrerseits derartig hochenergetische Lichtteilchen zu erzeugen. Stattdessen hatten sich Physikerinnen und Physiker für die energiereichen Photonen des Nachleuchtens der Gammablitze einen ungleich komplizierteren Prozess überlegt: das Synchrotron-Selbst- Compton-Modell. Hierbei verleihen Elektronen den bereits zuvor erzeugten energiereichen Photonen noch einmal durch Streuung zusätzliche Energie.

Was verraten nun das Nachleuchten von GRB 190829A und die ähnlichen Spektren von Röntgen- und Gammastrahlung? Bisher folgern Wissenschaftler, dass sie wohl auf weitere günstige Gammablitze warten müssen. Denn GRB 190829A war der erste Gammastrahlenausbruch, bei dem eine derart lange Messung seines hochenergetischen Spektrums gelang. Ob die Theorie der Gammablitze wirklich angepasst werden muss und sie dann nicht nur die gewaltigsten Explosionen im Universum, sondern auch noch viel bessere Teilchenbeschleuniger sind als bislang angenommen, wird sich zeigen.

FRANZISKA KONITZER studierte Physik und Astrophysik an der University of York in Großbritannien und ist in München als Journalistin tätig.

Literaturhinweis

H.E.S.S. Collaboration: Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow. Science 372, 2021

Didaktische Materialien: www.wissenschaft-schulen.de/ artikel/1051441

ZUM NACHDENKEN

Das Nachglühen des Gammablitzes GRB 190829A

Etwa einmal täglich werden mit Weltraumobservatorien wie Swift und Fermi sowie abbildenden Tscherenkow- Teleskopen wie H.E.S.S. und MAGIC Gammablitze registriert. Sie stammen aus allen Ecken des Kosmos und ihre Quellen haben daher sehr unterschiedliche Entfernungen zur Erde. Der am 29. August 2019 erfasste Gammablitz GRB 190829A wurde offenbar in der Galaxie SDSS J025810.28-085719.2 im Sternbild Eridanus freigesetzt. Mit ihrer Rotverschiebung von z = 0,0785 kommt der hochenergetische Blitz demnach aus der vergleichsweise geringen Entfernung (mitbewegte Distanz) von 332 Millionen Parsec. Dem Gammablitz folgte ein Nachleuchten, bei dem mit H.E.S.S. Energien bis zu 3,3 Teraelektronvolt nachgewiesen wurden. Entgegen den Erwartungen ähnelt das registrierte Spektrum der Strahlung im Gammabereich dem viel energieärmeren Spektrum im Röntgenbereich, und auch das Abklingen über drei Tage verläuft in beiden Spektralbereichen synchron.

Aufgabe 1: Die Dynamik der Vorwärtsstoßwelle ist durch zwei Faktoren bestimmt: die freigesetzte Energie und die Dichte des die Quelle umgebenden Mediums. Das Nachglühen zeugt auch von einer vorwärts – auf uns zu – gerichteten Stoßwelle mit relativistischer Geschwindigkeit. Sie weist daher einen erheblichen Lorentzfaktor auf (siehe »Zum Nachdenken: Kilonova GBR 200522A« in SuW 7/2021, S. 22):

Dabei ist Γ M = 4,7, abgeleitet aus Messungen mit H.E.S.S. in der ersten Nacht, nur wenige Stunden nach dem Ausbruch. E iso ist die in alle Richtungen als gleich betrachtete – isotrope – Energie. Mit dem Röntgenteleskop XRT (X-Ray Telescope) auf dem Gammastrahlensatelliten Swift wurde die isotrope Energieabgabe zu E isoXRT ≈ 5·1043 J bestimmt. Die Lichtgeschwindigkeit ist c = 2,998 10 8 m/s. Man bestimme die gesamte, durch die Stoßwelle mitgerissene Masse M. Man vergleiche das Ergebnis mit der Sonnenmasse Mʘ = 1,989 · 10 30 kg.

Aufgabe 2: Die vorwärts gerichtete Stoßwelle pflanzt sich in Richtung Erde ja fast mit Lichtgeschwindigkeit fort. Das führt auf eine Gleichung für den Radius der Stoßwelle:

Für die Umgebung, in der sich die Stoßwelle fortbewegt, gibt es zwei Modelle: Zum einen kann es sich um ein homogenes interstellares Medium handeln (kISM = 8), zum anderen auch ein heftiger Sternwind sein (k Wind = 4). Die zeitliche Verzögerung zwischen Blitz und erster Beobachtung ist Δt = 4,3 h. Welchen Radius R hatte die Stoßwelle in den beiden Szenarien?

AXEL M. QUETZ

ZUM NACHDENKEN: Unser Sonnensystem

Ihre Lösungen senden Sie bitte an: Redaktion SuW – Zum Nachdenken, Haus der Astronomie, MPIA-Campus, Königstuhl 17, D-69117 Heidelberg. Fax: 06221 528377. E-Mail: zum-nachdenken@ sterne-und- weltraum.de. Einsendeschluss ist der 5. November 2021. Alle Leser, die bis einschließlich des Maihefts 2022 mindestens neun richtige Lösungen senden, werden bei der jährlichen Verlosung berücksichtigt; siehe S. 95.

Bitte beachten Sie unsere Teilnahmebedingungen auf S. 14. Sie können Ihre Datenschutzrechte nach Art. 15 ff. DSGVO ausüben, indem Sie uns unter service@spektrum.de kontaktieren.