Gammablitze wie in Superzeitlupe

  • 18. April 2013

Ultralange Gammastrahlenausbrüche stammen vermutlich von kollabierenden Riesensternen.

Üblicherweise dauern Gammastrahlenausbrüche – GRBs, auch Gammablitze genannt – nur einige Sekunden. In dieser Zeit senden sie ungeheure Energiemengen aus, die selbst Supernovae deutlich überstrahlen. Ihr Energieumsatz innerhalb von zehn Sekunden entspricht demjenigen unserer Sonne in mehreren Milliarden Jahren. Da sie nur über einen so kurzen Zeitraum nachzuweisen sind, gibt es für sie dezidierte Instrumente und Beobachtungsprogramme. Sobald Frühwarnsysteme wie das NASA-Weltraumteleskop Swift Alarm schlagen, müssen Teleskope schnell in Position gebracht werden, um das abklingende Spektrum noch auzufzeichnen.

Gammablitze

Abb.: Auf der Illustration sind zwei verschiedene Arten von Sternen zu sehen, die unterschiedlich lange Gammablitze auslösen können. Heiße, blaue Wolf-Rayet-Sterne (hinten), die etwa genauso groß wie die Sonne sind, aber die zehnfache Masse besitzen, verursachen Gammablitze. Der Riesenstern vorne hat ungefähr die zwanzigfache Masse der Sonne, ist aber rund tausendmal größer und kann einen ultralangen Gammablitz hervorrufen. (Bild: Mark A. Garlick, U. Warwick)

Astronomen gehen davon aus, dass Gammablitze entstehen, wenn ein schwerer Stern seinen Brennstoff aufgebraucht hat und sein Kern unter der gigantischen Gravitation zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzt. Bei solchen Kernkollaps-Supernovae werden enorme Energiemengen frei. Das entstehende Schwarze Loch im Zentrum das Sterns saugt rotierende Gasmassen in sich hinein, wobei es zwei scharf gebündelte Jets hochenergetischer Teilchen in entgegengesetzter Richtung aussendet. Gammastrahlenausbrüche sind sozusagen der kollimierte Geburtsschrei stellarer Schwarzer Löcher. Sind die Jets stark und gebündelt genug, durchdringen sie die äußeren Schichten und die Oberfläche des Sterns. Von der Erde aus sind sie allerdings nur sichtbar, wenn sie zufällig in unsere Richtung zeigen und ein Teleskop den entsprechenden Himmelsausschnitt in den entscheidenden Sekunden im Visier hat. Deshalb sind sehr viel mehr Supernovae als Gammablitze bekannt.

Ein internationales Team von Astronomen hat nun gute Nachrichten für all die Kollegen, deren Teleskope eine nicht ganz so schnelle Mechanik besitzen. Sie machten drei ungewöhnlich lang dauernde Gammastrahlenausbrüche ausfindig, die mehrere Stunden anhielten. Diese gehören offensichtlich zu einem neuen Typ von Gammablitzen, der nicht nur deutlich länger dauert als die bislang bekannten, sondern sich auch vom Energieumsatz her mit den stärksten Ausbrüchen messen kann.

Die Forscher stießen auf die neuartigen Gammablitze, als sie den als „Christmas Burst“ bezeichneten Ausbruch von Weihnachten 2010 genauer untersuchten. Das damalige Ereignis stach merklich aus der Reihe der bekannten hochenergetischen kosmischen Ereignisse heraus. Allerdings war seine Entfernung nicht genau bestimmt, sodass Astronomen spekulierten, es könne sich um einen Asteroiden handeln, der auf einen Neutronenstern in der Milchstraße gefallen war. Andere mutmaßten, es handelte sich um eine Supernova in rund dreieinhalb Milliarden Lichtjahren Entfernung.

Mit Hilfe des Gemini-Nord-Teleskops auf Hawaii fanden Andrew Levan und seine Kollegen aber mittlerweile die Galaxie, in der der Christmas Burst stattgefunden hat. Anhand der Rotverschiebung der Emissionslinien von Wasserstoff und Sauerstoff ließ sich der Abstand zur Erde bestimmen. Interessanterweise befindet sich die Galaxie deutlich weiter entfernt, als die Forscher ursprünglich angenommen hatten. Mit einer Distanz von rund sieben Milliarden Lichtjahren liegt sie auf halbem Weg zum Rand des sichtbaren Universums.

In den letzen beiden Jahren wiesen die Astronomen noch zwei weitere langdauernde Gammablitze nach, die ein ähnliches Röntgen-, UV- und optischen Spektrum besaßen und ebenfalls in den zentralen Regionen kompakter sternbildender Galaxien stattfanden. Die ungewöhnlich lange Dauer stellt besondere Anforderungen an die Sternenparameter, unter denen solche Ausbrüche geschehen können.

Bei normalen Gammablitzen gehen Astrophysiker von kompakten, schweren Sternen wie etwa Wolf-Rayet-Sternen als Quelle aus. Diese heißen und blauen Sterne sind rund zwanzigfach schwerer als unsere Sonne, aber von ähnlichem Umfang, weil sie ihre äußere Hülle bereits abgestoßen haben. Für stundenlange Gammablitze kommen jedoch nur ausgedehntere Objekte infrage.

Die Autoren der Studie nehmen deshalb an, dass die ultralangen Gammastrahlenausbrüche von entsprechenden Riesensternen stammen, die noch eine große Wasserstoffhülle besitzen. Solche Sterne mit mindestens zwanzigfacher Sonnenmasse können den bis zu tausendfachen Durchmesser unserer Sonne haben. Wenn sich in ihrem Innern ein Schwarzes Loch gebildet hat, braucht das Material etliche Stunden, um in dieses zu fallen. Das könnte eine Erklärung für die extreme Dauer der Gammablitze sein. Die Berechnungen hierzu sind allerdings hochkomplex, kommentiert Nial Tanvir von der Universität Leicester, der an der Studie nicht beteiligt war: „Das Verhalten von Materie vorauszusagen, die unter diesen Umständen in ein Schwarzes Loch fällt, ist sehr schwierig; und vom theoretischen Standpunkt hatten wir zunächst gar keine Explosion erwartet.“

Die Forscher untersuchten unter anderem aus diesem Grund auch die Möglichkeit, dass kein Sternentod für den Gammablitz verantwortlich war, sondern ein Supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie, das sich an einem ganzen Stern gütlich tut. Solche Ereignisse dauern üblicherweise aber noch merklich länger. Die Daten lassen bislang jedoch noch keine klare Entscheidung zwischen diesen Szenarien und Kernkollaps-Supernovae zu. Die Forscher hoffen deshalb, mit künftigen Messungen ultralange Gammablitze und assoziierte Supernovae nachweisen zu können. Damit ließe sich nicht nur der zugrunde liegende Mechanismus klären, sondern vielleicht sogar der Vorgängersterntyp bestimmen.

Dirk Eidemüller

AH

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