Gamma Ray Bursts

Gammastrahlenausbrüche gehören gleich nach dem Urknall zu den gewaltigsten Ereignissen, die wie heute kennen. Sie strahlen in innerhalb von Sekunden mehr Energie ab, als hunderte von Supernovae.

Diese seltsamen Erscheinungen wurden erstmals 1967 von Militärsatelliten entdeckt, die eigentlich Nukleartests in der Sowjetunion überwachen sollten. Es muss eine ziemliche Überraschung gewesen sein, als die Signale plötzlich nicht nur von der Erde kamen, sondern auch aus dem Weltraum - auf der Erdoberfläche ist die Beobachtung leider unmöglich, weil die Erdatmosphäre die Strahlung abschirmt.

Diese Energien sind dabei so gewaltig, dass man sich bei ihrer Entdeckung fragen musste ob die Relativitätstheorie mit diesen Ausbrüchen vereinbar ist. Denn selbst wenn man eine vollständige Umwandlung von Masse in Energie zugrunde legen würde, würde man nicht auf die beobachteten Intensitäten kommen.

Glücklicherweise gab es zumindest für dieses Paradoxon eine Erklärung. Gamma-Ray Bursts (GRB) strahlen ihre Energie nicht gleichmäßig in alle Raumrichtungen ab, sondern in einem eng gebündelten Strahl, so das tatsächlich nur ein Bruchteil der ursprünglich vermuteten Energie erforderlich ist. Trotzdem ist dieser Strahl im Gammaspektrum heller als alles bisher Dagewesene.

Unter den gegebenen Vorraussetzungen entspricht die Energie eines Ereignisses der Umwandlung unsere Sonne in pure Energie - gemäß E=mc² - und die Ausbrüche scheinen noch nicht einmal besonders selten zu sein. Aufgrund der Beobachtungen in den letzten 30 Jahren geht man von etwa einem Ereignis irgendwo im Universum am Tag aus - das NASA Compton Gamma Ray alleine hat zwischen 1991 und 2000 1,972 Ereignisse registriert - aber einige Modelle behaupten, dass die tatsächliche Rate bis zu 500mal größer sein könnte, wir aber nur einen kleine Teil davon beobachten.

Da diese Phänomene aber immer nur sehr kurz auftreten und man auch nicht vorhersagen kann, wo der nächste zu erwarten ist, sind sie relativ schwer zu untersuchen. In den letzten Jahren ist es aber hin und wieder gelungen nicht nur den Burst, sondern auch das nachleuchten zu beobachten.

Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Gammastrahlenausbrüchen, die sich in ihrer Dauer unterscheiden. Die Kurzen dauern nur bis zu zwei Sekunden, die Langen bis zu einigen hundert. Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass diesen Phänomenen unterschiedliche physikalische Prinzipien zugrunde liegen.

Die langen GBR werden vor allem in weit entfernten teilen des Universums beobachtet, ihr Licht brauchte also mehrere milliarden Jahre, bevor es uns erreichte, woraus man schließen kann, dass es sich bei den Quellen um Sterne handelt, die sich sehr früh nach dem Urknall entwickelt haben.

Der bisher längste Ausbruch wurde vom italienisch-niederländischen Satelliten BeppoSAX 2001 registriert und dauerte nur 270 Sekunden. Durch die schnelle Reaktion der Astronomen war es möglich das Nachleuchten mit dem ESA-Röntgensatelliten XMM-Newton im Röntgenspektrum zu beobachten, das immer noch sieben mal heller war als eine ganze Galaxie.

Aus der chemischen Analyse konnte man Rückschlüsse auf die Elemente ziehen, die für die Strahlen verantwortlich waren und stellte fest, das es sich um schwere Elemente handelte, wie sie auch bei einer Supernova entstehen, die sich sehr schnell vom Explosionszentrum entfernten.

Die Bestätigung dieser Beobachtungen gelang am 29 März 2003 als der High Energy Transient Explorer (HETE-II) der NASA einen sehr hellen Ausbruch beobachten konnte, dessen Nachleuchten im optischen, Radio- und Röntgenspektrum vom Siding Spring Observatorium in Australien und dem VLT KUEYEN Teleskop der ESO in Chile verfolgt werden konnte.

Die Daten deuten darauf hin, dass Gamma-Ray Bursts ihren Ursprung in einer sogenannten Hypernova haben - einer gewaltigen Sternenexplosion, bei der Sternenmaterie mit bis zu 10% der Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum geschleudert wird. Hypernovae entstehen wahrscheinlich, wenn Wolf-Rayet-Sterne explodieren. Manchmal ist auch von einer fehlgeschlagenen Supernova die rede.

Wolf-Rayet-Sterne sind Sterne die sich ursprünglich mit mehr als 25 Sonnenmassen aus Wasserstoff geformt haben und diesen auf Grund ihrer Masse sehr schnell verbrauchen. Später - einige tausend Jahre vor der Hypernova - entledigen die Sterne sich ihrer Wasserstoffhülle, wenn dieser als Brennstoff zu neige geht und bestehen dann nur noch aus Helium, Sauerstoff und anderen schwereren Elementen. Aber auch Helium und die anderen Elemente sind als Energiequelle für die Kernfusion bald verbraucht und der Kern kollabiert wenn der Strahlungsdruck der Gravitation nicht mehr standhalten kann. Diesen Vorgang mit einem Kollaps des Kerns nennt man auch Kollapsar-Modell.

Bei einem Kollapsar entsteht im Zentrum des Sterns ein rotierendes schwarzes Loch das innerhalb weniger Sekunden einen gewaltigen Materiejet aussendet, die wahrscheinlich aus der frei werdenden Gravitationsenergie stammt und sich entlang der Rotationsachse des schwarzen Lochs aufbaut. Trifft dieser Jet auf die noch verbliebene Hülle des Sterns, kommt es zu dem beobachteten Gammastrahlenausbruch.

Computersimulationen am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching in Zusammenarbeit mit Universitäten in Valencia und Santa Cruz haben zeigen können, dass bei einem solchen Vorgang ein Jet entsteht, der die Sternoberfläche relativ unversehrt erreicht und dabei die Sternexplosion verursacht. Dieser Jet besitzt einen extrem fokussierten Kern, in dem kurz nach dem Ausbruch Geschwindigkeiten von bis zu 99,97% Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Für die Bestätigung des Kollapsar-Modells sind aber noch längere Beobachtungen einzelner GRBs erforderlich.

Aber diese Modelle treffen nur auf Lange Bursts zu, die Mechanismen die hinter einem kurzen Ausbruch stehen sind bei weitem noch nicht so gut verstanden.

Ein Erklärungsansatz für die kurzen Ausbrüche setzt als Ursprung auf Binärsysteme. Bestehen diese aus zwei massiven Partnern mit jeweils mehr als zehn Sonnenmassen könnten sich diese am Ende ihres Lebens in Neutronensterne oder schwarze Löcher verwandeln. Kommt es dann zu einem Zusammenstoss der Sternenreste könnte diese Kollision, bei der dann auch ein größeres Schwarzes Loch entsteht, ebenfalls für die Freisetzung der beobachteten Energiemengen verantwortlich sein.

Jeder Gamma-Ray Burst wäre demnach das erste Signal eines neu entstandenen schwarzen Lochs.


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