Gammastrahlenausbruch

Optisches Nachleuchten des Gammablitzes GRB-990123 (heller Punkt im weißen Quadrat und Ausschnittsvergrößerung). Das darüberliegende gekrümmte Objekt ist die Galaxie aus der er stammt, welche wohl durch eine Kollision mit einer anderen Galaxie verformt wurde.

Illustration eines massereichen Sterns der zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Die freiwerdende Energie in Form von Jets entlang der Rotationsachse formt einen Gammablitz.

Gammablitze, Gammastrahlenblitze, Gammastrahlenausbrüche oder auch Gammastrahlenexplosionen (engl. Gamma Ray Burster oder Gamma Ray Bursts, oft abgekürzt GRB) sind gewaltige Energieausbrüche im Universum von kurzer Dauer, mit denen große Mengen an Gammastrahlen einhergehen. Ihre Dauer beträgt wenige Sekunden bis maximal einige Minuten, die einzige bekannte Ausnahme (GRB 060218) dauerte 33 Minuten. Sie setzen in zehn Sekunden mehr Energie frei als die Sonne in Milliarden von Jahren. Für die Dauer seines Leuchtens ist ein Gammablitz heller als alle übrigen Gammastrahlenquellen am Himmel. Gammablitze haben zudem ein „Nachglühen“ im optischen sowie im Röntgenspektrum, welches in der Größenordnung von Tagen und Wochen langsam verblasst. Die Ursache der Gammablitze ist noch nicht abschließend geklärt. Man beobachtete sie erstmals am 2. Juli 1967 mit den amerikanischen Vela-Spionagesatelliten (vom spanischen Verb „velar“, bewachen), welche eigentlich zur Überwachung oberirdischer Atombombentests gedacht waren. Die Instrumente registrierten ein kurzes, sehr intensives Aufleuchten von Gammastrahlen. Erst 1973 konnten Wissenschaftler im Los Alamos National Laboratory in New Mexico mit den Daten der Satelliten sicherstellen, dass die Strahlen aus den Tiefen des Weltraums kamen.

Beobachtungen

Die Erdatmosphäre ist für Gammastrahlen undurchlässig, weswegen man Gammablitze nur mit Weltraumteleskopen beobachten kann (aktuell beginnt man zusätzlich auch mit bodengestützten Beobachtungen durch indirekte Beobachtungsmethoden). Wegen ihrer kurzen Dauer, des geringen Auflösungsvermögens der Satellitenteleskope im Bereich der Gammaastronomie und ihrer hohen Leuchtkraft konnte man sie lange Zeit weder bekannten (optischen) Quellen zuordnen, noch adäquate Theorien zu ihren Ursachen aufstellen. Zuerst wurde vermutet, dass die Quellen dieser Blitze innerhalb unserer Milchstraße zu finden seien. Diese Vermutung basierte auf der Annahme, dass ein solches Ereignis bei einem weiter entfernten Objekt auf Grund der gewaltigen Energiemengen nicht erklärbar wäre, ohne dass hierbei grundlegende physikalische Prinzipien verletzt werden würden.

Auf Grund ihrer gleichförmigen Verteilung über den gesamten Himmel konnte man jedoch indirekt schließen, dass sie extragalaktische Strahlungsquellen sind, da sie sich andernfalls in der Ebene der Milchstraße, in der sich die meisten Sterne der Milchstraße befinden, hätten häufen müssen oder, falls sie zum Halo der Milchstraße gehörten, in Richtung des galaktischen Zentrums.

1997 konnte mit Hilfe des italienisch-niederländischen Röntgen-Satelliten BeppoSAX erstmals das Nachglühen von Gammablitzen im Röntgenbereich beobachtet werden. Auf Grund der wesentlich exakteren Positionsbestimmung in der Röntgenastronomie konnte man dadurch gezielte Nachbeobachtungen im sichtbaren Licht machen und sie bekannten Quellen zuordnen. Infolgedessen fand man an den Stellen der Gammablitze weit entfernte Galaxien und konnte somit erstmals direkt nachweisen, dass Gammablitze tatsächlich extragalaktische Quellen haben.

GRBs lassen sich in zwei verschiedene Klassen einteilen. Die langen GRBs dauern im Mittel etwa 35 Sekunden, aber auch Längen von 2000 Sekunden wurden schon beobachtet. In einigen von diesen langen GRBs konnte man zeitgleich zum Gammablitz eine Kernkollaps-Supernova beobachten.

Am 4. September 2005 registrierte der NASA-Satellit Swift einen Ausbruch, der 200 Sekunden aufleuchtete und damit zu den langen GRBs gehört. Er kam aus einer 12,7 Milliarden Lichtjahre entfernten Region, also aus der Zeit des relativ jungen Universums. Dieser Gammablitz mit der Bezeichnung GRB 050904 stellt damit das (nach einem beobachteten Quasar) zweitälteste dokumentierte Ereignis dar.^[1]

Im Gegensatz dazu dauern kurze GRBs weniger als 2 Sekunden. Das optische Nachleuchten dieser Sorte von GRBs ist ebenfalls wesentlich kürzer als das der langen GRBs und konnte 2005 erstmals beobachtet werden. Kurze GRBs haben normalerweise härtere Röntgenspektren als die langen. Nachdem lange GRBs durch Beobachtungen mit Supernovae in Verbindung gebracht wurden, glaubt man mittlerweile im Verschmelzen zweier Neutronensterne in einem engen Doppelsternsystem den Mechanismus für kurze GRBs gefunden zu haben.

Den bislang stärksten beobachteten Gammablitz registrierte der Satellit Swift am 19. März 2008. Der Ausbruch kam von einem Objekt, das 7,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt war. Er war 2,5 Millionen Mal heller als die leuchtstärkste bisher beobachtete Supernova und konnte mit dem bloßen Auge gesehen werden. Diese Explosion wurde unter der Nummer GRB 080319B katalogisiert.^[2]

Theorien

Auf Grund der kurzen Dauer des Gammablitzes kann das Gebiet, aus dem er ausgesendet wurde, nicht sehr groß sein. Der Durchmesser eines langsamen Objekts (v < 0,1c) ist maximal so groß wie die kürzeste Helligkeitsänderung multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit; auf Grund relativistischer Effekte kann dieser Bereich jedoch etwas größer sein, ist aber immer noch recht klein. Spezielle Supernovaexplosionen, so genannte Hypernovae, sind daher ein Kandidat für die Quellen der Gammablitze. Ein weiterer Kandidat sind verschmelzende Neutronensterne.

Würde ein Gammablitz gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlen, so hätte beispielsweise der Gammablitz GRB-990123 vom Januar 1999 (siehe obiges Bild) eine gigantische Strahlungsleistung von über 10⁴⁵ W haben müssen. Dieser Leistung entsprechen 2,5·10¹⁸ Sonnenleuchtkräfte oder 2,5 Trillionen Sonnen - Quasare schaffen „nur“ 10⁴⁰ W.

Man nimmt daher an, dass ein Gammablitz nur in zwei engen, entgegengesetzten, kegelförmigen Bereichen mit einem Öffnungswinkel von wenigen Grad ausgesandt wird, die Strahlung also wie in einem Leuchtturm fokussiert ist. Dadurch verringert sich die erforderliche Strahlungsleistung, um die beobachtete Helligkeit zu erklären, drastisch (um ca. 3 Zehnerpotenzen), ist jedoch immer noch extrem groß. Zudem lässt sich durch die Fokussierung die Heftigkeit der Energieausbrüche erklären, ohne dass grundlegende physikalische Prinzipien verletzt würden. Der Gammablitz schließlich entsteht durch Stoßwellen in dem sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Gas der Supernovaexplosion. Die gesamte freiwerdende Energiemenge ist ungefähr in derselben Größenordnung wie von einer Supernova, jedoch strahlt die Supernova den Großteil ihrer Energie in Form von Neutrinos ab. Modellrechnungen zeigen, dass der beobachtete Helligkeitsverlauf der Gammablitze gut zu den Annahmen passt. Die Beobachtungen von GRB 080319B (siehe oben) ergeben, dass innerhalb der kegelförmigen Bereiche je noch ein kleinerer, noch 'spitzkegeliger' Jet existiert, der praktisch keine Durchmesseraufweitung mehr aufzeigt. Bei dem erwähnten Gammablitz befand sich die Erde genau innerhalb dieses 'Laser-Strahls', was ein seltenes Ereignis darstellen sollte: Möglicherweise existiert bei jedem Gammablitz ein solcher zweiter Strahl, der aber nur beobachtet werden kann, wenn sich die Erde bzw. das Messgerät innerhalb dieses engen Strahlungskegel befindet. Bisher war dies nur bei GRB 080319B der Fall.

Den Unterschied zu einer normalen Supernova erklärt man sich dadurch, dass eine Hypernova mit anschließendem Gammablitz bei extrem massereichen Sternen von über 20 Sonnenmassen entstehen, deren zentraler Kernbereich zu einem rasch rotierenden Schwarzen Loch kollabiert. Das umgebende Gas läuft in einer Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch und heizt sich beim Einfall extrem stark auf, Gasjets werden dann senkrecht zur Scheibenebene ausgestoßen, welche dann die beobachteten Gammablitze erzeugen. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne führt abgesehen von den unterschiedlichen Ausgangsbedingungen zu ähnlichen Resultaten.

Auch wenn schon lange ein Zusammenhang mit Supernovae vermutet wurde, war es doch erst 1997 möglich, einen Gammastrahlenausbruch direkt in Verbindung mit eben solch einem Sternentod zu bringen. Dabei beobachtete der Satellit High Energy Transient Explorer (HETE) einen Gammastrahlenausbruch, dessen Quelle sich als der Kollaps eines Sterns mit 15-facher Sonnenmasse herausstellte.

Am 27. Dezember 2004 wurde die Erde kurz vor Mitternacht (21:30 UTC) von einem gewaltigen Gamma- und Röntgenstrahlen-Ausbruch getroffen. Wie sich später herausstellte, hatte ein Neutronenstern in Sekundenbruchteilen mehr Energie freigesetzt als die Sonne in 100.000 Jahren. Die Wellenfront des Sterns in etwa 50.000 Lichtjahren Entfernung war intensiver als der stärkste jemals gemessene Strahlungsausbruch unserer Sonne. Forscher in Australien berichteten, die Riesenexplosion des Neutronensterns SGR 1806-20 habe ihn für eine Zehntelsekunde heller als den Vollmond gemacht. Er sei damit das hellste Objekt außerhalb unseres Sonnensystems, das je ermittelt worden sei. Der Ausbruch von GRB 041227 am 27. Dezember 2004 dauerte nur 0,2 Sekunden.

Kurzzeitig glaubten Astronomen sogar, dass gigantische Magnetare (instabile junge Neutronensterne, die von einem extrem starken Magnetfeld umgeben sind) die Quelle jener besonders kurzen Gammablitze sein könnten, die ihnen schon seit längerem Rätsel aufgeben. Doch die Magnetar-Theorie ist wahrscheinlich falsch, wie weitere Beobachtungen in diesem Jahr ergaben. Beginnend im Mai 2005 konnten NASA-Satelliten erstmals einige der Blitze erspähen, die wegen ihrer kurzen Dauer nur schwer zu beobachten sind.

So konnte die betagte Sonde HETE-2, die bereits seit Oktober 2000 im All ist, am 9. Juli 2005 einen Gammablitz von nur 70 Millisekunden Dauer auffangen. In höchster Eile richteten Wissenschaftler die Weltraumteleskope Hubble und Chandra sowie das dänische 1,5-Meter-Teleskop im chilenischen La Silla auf die Explosion aus. Auf diese Weise entstanden die ersten Bilder vom Nachglühen eines kurzen Gammablitzes im Bereich des optischen Lichts.

Die Analysen bestätigten einen früheren Verdacht der Wissenschaftler: Kurze Gammablitze werden verursacht, wenn zwei enorm massereiche Neutronensterne oder aber ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch umeinander kreisen und schließlich kollidieren.

Weitere Folgerungen

Man kann jedoch noch nicht alle Arten von Gammablitzen mit den obigen Theorien erklären, weswegen also zukünftige genauere Beobachtungen durchaus noch überraschende Ergebnisse bringen können.

Eventuell war sogar eines der größten Massenaussterben der Erdgeschichte vor 443 Millionen Jahren (Ende des Ordoviziums), bei dem viele nahe der Wasseroberfläche lebende Arten der zu dieser Zeit sehr häufigen Trilobiten ausstarben, durch einen Gammablitz in unserer Milchstraße ausgelöst worden, der direkt auf die Erde gerichtet war.

Die Gammastrahlen erreichten zwar nicht den Erdboden, bildeten jedoch in der Atmosphäre giftiges Stickoxid, welches die Ozonschicht zerstörte, und somit wurde das Leben nahe der Wasseroberfläche (Landlebewesen gab es noch nicht) durch die ungehindert eindringende UV-Strahlung der Sonne abgetötet. Dies und eine Klimaänderung kann natürlich auch beispielsweise durch die Strahlung einer nahen Supernova oder Hypernova verursacht werden.

Massenaussterben auf der Erde

Wissenschaftler wurden beauftragt herauszufinden, welche Konsequenzen der Treffer eines in der Nähe (ca. 500 Lichtjahre) entstandenen Gammablitzes auf die Erde hätte. Die Untersuchung sollte auch helfen Massenaussterben auf der Erde zu klären und die Wahrscheinlichkeit von extraterrestrischem Leben einschätzen zu können. Im Ergebnis vermuten Wissenschaftler, dass ein Gammablitz, der in der Nähe unseres Sonnensystems entsteht und die Erde trifft, ein Massensterben auf dem gesamten Planeten auslösen könnte. Der Gammablitz dürfte sogar noch bis zu 3000 Lichtjahre entfernt sein, um eine Gefahr darzustellen^[3]. Unter den Wissenschaftlern ist man sich einig, dass der unmittelbare, sofortige Schaden an Lebewesen durch einen Gammablitz auf der Erde zwar begrenzt wäre, da dieser nur kurz andauert. Auch wäre die vom Gammablitz abgewandte Erdseite von dem Gammablitz nicht betroffen, da die Gammastrahlung den Planeten nicht durchdringen kann. Ein ausreichend naher Gammablitz würde allerdings die Atmosphäre beträchtlich schädigen, wahrscheinlich die halbe Ozonschicht schlagartig verbrennen und eine Stickstoff-Sauerstoff-Rekombination hervorrufen und dadurch ätzende Stickstoffoxide produzieren. Diese Reaktionen könnten die unberührte Erdseite beeinflussen und die globale Nahrungsmittelversorgung zusammenbrechen lassen, sowie zu langanhaltenden Veränderungen des Klimas und der Atmosphäre führen. Dies würde ein Massenaussterben auf der Erde bewirken und die Population wahrscheinlich auf 10% schrumpfen lassen. Der Schaden durch einen Gammablitz wäre signifikant höher als der durch eine Supernova, die sich in gleicher Entfernung wie der Gammablitz ereignet.

Erwähnenswerte GRBs

GRBs von besonderer historischer oder wissenschaftlicher Bedeutung:

• 670702: Der erste GRB, der jemals entdeckt wurde.
• 970228: Der erste GRB, bei dem erfolgreich ein Nachleuchten festgestellt werden konnte.
• 970508: Der erste GRB mit einer exakt bestimmten Rotverschiebung (ein Wert, der es Astronomen ermöglicht, die Entfernung eines Ereignisses oder Objekts zu bestimmen).
• 980425: Der erste GRB, der in Verbindung mit einer Supernova (SN 1998bw) beobachtet wurde; zeigte eine enge Beziehung zwischen SN und GRBs auf.
• 990123: Der erste GRB, bei dem eine Emission im sichtbaren Bereich festgestellt wurde. (siehe Bild oben)
• 041227: Die Erde wird von einem gewaltigen Gammastrahlenausbruch getroffen, dessen Wellenfront von einem Stern in nur 50.000 Lj Entfernung ausging.
• 050509B: Der erste kurze GRB, bei dem der Ursprungskörper festgestellt werden konnte (unterstützte die Theorie, dass kurze GRB nicht mit Supernovae in Verbindung stehen).
• 050724: Ein kurzer GRB, als dessen Ursprung ein um ein Schwarzes Loch kreisender Neutronenstern festgestellt wurde.
• 050904: Mit 12,7 Mrd. Lj der alte Entfernungsrekord für einen GRB mit einer Rotverschiebung von 6,29.
• 080319B: Hellster GRB und hellste Supernova, die jemals entdeckt wurden (absolute Helligkeit: -36 mag); außerdem erster GRB, der mit bloßem Auge beobachtet werden konnte (scheinbare Helligkeit: 5,76 mag); zugleich das am weitesten entfernte Objekt, das jemals mit bloßem Auge zu beobachten war.
• 080913: Der am weitesten von der Erde entfernte GRB mit einer Rotverschiebung von 6,7 (entspricht 12,8 Mrd. Lj); damit das zweitälteste dokumentierte Ereignis im Universum.^[4][5]

Einzelnachweise

1. ↑ NASA: Most Distant Explosion detected, 12. September 2005
2. ↑ NASA: A Stellar Explosion You Could See on Earth!, 21. März 2008
3. ↑ Deadly astronomical event not likely to happen in our galaxy, Study finds
4. ↑ NASA: NASA's Swift Catches Farthest Ever Gamma-Ray Burst - 13. September 2008
5. ↑ Gamma ray bursts Coordinates Network (NASA)

Literatur

• David Alexander Kann, Steve Schulze und Sylvio Klose: Kosmische Gammastrahlenausbrüche. Neue Erkenntnisse und neue Rätsel in der Ära des Gammasatelliten Swift. Sterne und Weltraum 12/2007, Seite 42
• Neil Gehrels, Luigi Piro, Peter JT Leonard: Die stärksten Explosionen im Universum. Spektrum der Wissenschaft 03/2003, Seite 48
• Tödliche Sternexplosion. Astronomie Heute 01-02/2004, Seite 13
• J. S. Villasenor u.a.: Discovery of the short Gammaray burst GRB 050709. Nature 437, 855-858 (6 October 2005). Preprint
• P. Mészaros: Theories of Gamma-Ray Bursts. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 40, p. 137-169 (2002), doi:10.1146/annurev.astro.40.060401.093821
• J. van Paradijs, C. Kouveliotou, & R. Wijers: Gamma-Ray Burst Afterglows. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 38, p. 379-425 (2000), doi:10.1146/annurev.astro.38.1.379

Siehe auch

• Gravitationsenergie als Energiequelle für die beobachteten Prozesse.

Videos

• Was ist eine Hypernova?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• Verschmelzen Schwarze Löcher?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• Was ist der Superflare vom 27. Dezember 2004?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)

Weblinks

• www.wissenschaft.de: Wenn Gammablitze sterben. – Satellit Swift beobachtet erstmals Übergang vom Blitz zum Nachglühen
• Swift: Gamma ray burst Real-time Sky Map - basierend auf Daten des Nasa-Satelliten Swift
• NASA: Gamma Ray Burst Coordinates Network