Gammastrahlenausbruch

Naher Gamma­strah­len­blitz lässt Mo­delle wan­ken

Mit den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia konnten Wissenschaftler - darunter Astrophysiker der Universität Innsbruck - das bislang längste Nachglühen eines Gammastrahlenblitzes in relativ geringer Entfernung von der Erde verfolgen. Die nun in Science veröffentlichen Beobachtungen stellen die bisherige Theorie zur Entstehung dieser hochenergetischen Strahlung in Frage.

Ein Gammastrahlenausbruch ist ein heller, nur wenige Sekunden andauernder Blitz hochenergetischer Röntgen- und Gammastrahlung. Er entsteht beim Kollaps eines rotierenden massiven Sternes. Ein Teil der dabei freiwerdenden gravitativen Energie nährt die Produktion einer ultrarelativistischen Explosionswelle. Ihre Existenz lässt sich durch ein länger andauerndes Nachglühen vom Gamma- bis in den Radiowellenbereich beobachten.

Am 29. August 2019 erkannten die Fermi- und Neil-Gehrels-Swift-Observatorien einen Gammastrahlenausbruch in nur einer Milliarde Lichtjahren Entfernung im Sternbild Eridanus. Er erhielt den Katalogeintrag GRB 190829A. „Typischerweise sind Gammastrahlenausbrüche sehr viel weiter entfernt. Bei GRB 190829A sitzen wir in der ersten Reihe“, freut sich Prof. Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck, wo er die H.E.S.S.-Arbeitsgruppe leitet. Sobald das Sternbild Eridanus am Nachthimmel beobachtbar wurde richteten sich die H.E.S.S.-Cherenkov-Teleskope in Namibia auf diese Explosion und konnten es mehrere Tage lang beobachten. „Wir empfingen Photonen bis zu 3,3 Tera-Elektronenvolt, also etwa das Billionenfache optischer Photonen, bisher unerreicht für einen Gammastrahlenausbruch“, staunt Dr. Markus Holler, Senior Scientist in der Innsbrucker H.E.S.S.-Gruppe. Da der Gammastrahlenausbruch auf astronomischen Skalen praktisch vor unserer Haustür stattfand, konnten diese Photonen quasi ungehindert zur Erde reisen. 

Nachglühen beobachtet

Die Nähe des Gammastrahlenausbruchs erlaubte eine bisher unerreichte Detailstudie der Energieverteilung (“Spektrum”) der die Erde erreichenden Photonen und ergab etwas Erstaunliches: eine deutliche Ähnlichkeit des Nachglühens im Röntgenbereich und Gammastrahlenbereich. Etablierte Theorien gehen jedoch davon aus, dass die beiden Emissionskomponenten durch separate Mechanismen erzeugt werden. Während die Röntgenkomponente von ultrarelativistischen Elektronen abgestrahlt werden, die in den Magnetfeldern in der Umgebung des Gammastrahlenausbruchs abgelenkt werden, sollte die Gammastrahlung durch die Streuung dieser „Synchrotronphotonen“ an diesen Elektronen einen Energiegewinn bis in den Gammastrahlenbereich erhalten, genannt der „Synchrotron-Selbst-Compton Prozess“. Die Beobachtungen von GRB 190829A ergaben nun aber, dass das Nachglühen im Röntgen- und Gammastrahlenbereich synchron erfolgte.

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Mehr noch, das Gammastrahlenspektrum liegt auf der Extrapolationslinie des Röntgenspektrums. „Dies ist ein starker Hinweis, dass die Gammastrahlen durch denselben Mechanismus erzeugt worden sind, wie die Röntgenstrahlung,“ erklärt Theoretikerin Assoz.-Prof. Anita Reimer aus der H.E.S.S.-Arbeitsgruppe an der Universität Innsbruck. Dies stellt in Frage, dass die hochenergetischen Photonen durch den Synchrotron-Selbst-Compton-Mechanismus erzeugt werden. Andererseits existiert eine maximale Energiegrenze, die relativistische Elektronen durch Beschleunigung in magnetisierten Umgebungen erreichen können. Die Produktion der beobachteten Tera-Elektronenvolt-Photonen durch den Synchrotronprozess benötigt Elektronen, die dieses „burn-off“-Limit verletzen. 

Weitere Beobachtungen nötig

Die vorliegenden Beobachtungen des H.E.S.S.-Teams haben weitreichende Konsequenzen für das theoretisches Verständnis dieser gewaltigen Explosionen im Universum, und es sind weitere Studien von Gammastrahlenausbrüchen bei sehr hohen Energien nötig. GRB 190829A ist erst der vierte Gammastrahlenausbruch, der durch Cherenkov-Teleskope detektiert worden ist. „Mit verbesserten Instrumenten, wie dem in Bau befindlichen Cherenkov-Telescope-Array (CTA), und ausgeklügelten Beobachtungsstrategien wird die Rate der GRB-Detektionen steigen und damit das Potential, dieses Superlativ einer kosmischen Explosionen besser zu verstehen“, vermutet Prof. Olaf Reimer, der die österreichische Beteiligung an der Vorbereitung und dem Bau des neuen Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums CTA koordiniert.

Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt, der von 1931 bis 1937 als Professor an der Universität Innsbruck tätig war. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben. Seit 2009 ist auch Österreich Mitglied dieses Forschungskonsortiums.

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