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Gigantischer Strahlungsblitz in Rekorddistanz

Einer internationalen Astronomengruppe gelang es, das Spektrum des optischen Nachleuchtens eines kosmischen Gammastrahlen-Ausbruchs zu messen, der in einer Entfernung von etwa zehn Milliarden Lichtjahren stattfand.


Zu den geheimnisvollsten Himmelsphänomenen gehören die Gammablitze. Diese gewaltigen Strahlungsausbrüche in fernen Regionen des Kosmos setzen in zehn Sekunden mehr Energie frei als die Sonne in zehn Milliarden Jahren. Schon 1967 wurden sie zufällig entdeckt: Die Vela-Satelliten zur Überwachung des Kernwaffen-Teststoppabkommens registrierten unerklärliche kurze Pulse von Gammastrahlen – bis 1973 waren es 16; sie stammten ganz offensichtlich nicht von Atombomben-Explosionen, sondern kamen aus allen Richtungen des Weltalls.

Erst Anfang der siebziger Jahre weckten sie die Aufmerksamkeit breiter Forscherkreise. Vor allem mit dem Burst and Transient Source Experiment (Batse) an Bord des Compton-Gammastrahlungsobservatoriums konnten in den neunziger Jahren mehrere tausend dieser einmaligen Ereignisse nachgewiesen werden (Spektrum der Wissenschaft 2/94, S. 64). Sie dauerten jeweils nur wenige Sekunden bis Minuten. Durchschnittlich trat eines pro Tag auf. Am 4. Juni 2000 steuerte die Nasa den Compton-Satelliten nach einer höchst umstrittenen Entscheidung jedoch in die Erdatmosphäre und vernichtete ihn. Bis dahin hatte sich die Gammastrahlen-Astronomie allerdings bereits weltweit als neues Gebiet etabliert.

Zunächst vermutete man die Quellen der Hochenergie-Ausbrüche in unserer kosmischen Nachbarschaft, der Milchstraße; es schien einfach nicht vorstellbar, dass ein Ereignis in den fernen Tiefen des Alls so viel Energie freisetzen könne, dass noch derart große Strahlungsmengen bis zu uns gelangen. Die Verschmelzung von Neutronensternen galt als beliebte Erklärung.

Wie die Untersuchungen mit dem Compton-Satelliten ergaben, sind Gamma Ray Bursters (GRBs) jedoch homogen am Himmel verteilt und nicht auf die Ebene der Milchstraße konzentriert. Das zwang zu dem Schluss, dass die Blitze entweder aus einem kugelförmigen Halo um die Galaxis kommen müssen – oder eben doch aus den Tiefen des Alls, also aus Entfernungen von Millionen oder Milliarden von Lichtjahren.

Bei solchen enormen Distanzen sollten sich relativistische Effekte wie die Rotverschiebung von Licht (und natürlich auch von Gammastrahlung) bemerkbar machen, welche die Helligkeitsverteilung der GRBs in charakteristischer Weise beeinflussen. Dass diese Effekte mit Bat-se beobachtet werden konnten sprach dafür, dass die Gammablitze nicht auf die Milchstraße beschränkt sind.

Auch andere Be-obachtungen stützten diese Vermutung. So sind starke Ausbrüche – die im Mittel näher bei uns liegen sollten – durchschnittlich kürzer als schwache, weiter entfernte. Dies lässt sich mit der wachsenden Zeitdehnung erklären, die sich für zunehmende Entfernungen wegen der größeren Expansionsgeschwindigkeiten aus der speziellen Relativitätstheorie ergibt.

Dennoch war auf diese Weise der Ursprung der GRBs nicht wirklich zweifelsfrei zu klären. Um eindeutig zu beweisen, dass sie von außerhalb der Milchstraße stammen, musste man Gegenstücke in anderen Spektralregionen finden – beispielsweise ein Nachleuchten im optischen Bereich oder eine lichtschwache entfernte "Wirts-"Galaxie, aus welcher der Gammablitz offensichtlich stammt. Anhand der Rotverschiebungen wohlbekannter Spektrallinien lassen sich dann die Entfernungen bestimmen.

Ein optisches Gegenstück aufzuspüren gelang erstmals 1997 mit dem Italienisch-Niederländischen Satelliten BeppoSAX. Er konnte GRBs mit einer Genauigkeit von sechs Bogensekunden (knapp einem Drittel des Monddurchmessers) innerhalb weniger Stunden lokalisieren – schnell und präzise genug, um mit optischen und Radioteleskopen nach Emissionen aus der fraglichen Region zu suchen. Als BeppoSAX einen Gammablitz im Sternbild Orion entdeckte, wurde schon 21 Stunden später mit dem 4,2-Meter-William-Herschel-Teleskop auf La Palma die entsprechende Himmelsregion im sichtbaren Spektralbereich genau inspiziert – kurz darauf auch mit dem NTT-Teleskop der europäischen Südsternwarte Eso in La Silla (Chile), dem Keck-Teleskop auf Hawaii und dem Hubble-Weltraumteleskop. All diese Beobachtungen lieferten übereinstimmende Hinweise, dass der Burst aus einer weit entfernten Galaxie kam (Spektrum der Wissenschaft 9/97, S. 30).

Nur wenig später gelang es mit dem 36-inch-Teleskop des Kitt-Peak-Observatoriums, das Spektrum des schwach leuchtenden optischen Gegenstücks eines Gammabursts aufzunehmen und dabei auch die Rotverschiebung zu bestimmen. Der gemessene Wert von 0,83 war viel zu groß für eine galaktische Quelle. Ein extragalaktischer Ursprung ließ sich seither für zahlreiche Gammabursts beweisen: Bei etwa zwanzig Ausbrüchen bisher konnte man das optische Gegenstück identifizieren und bei zwölf von ihnen die Rotverschiebung und damit die Entfernung bestimmen.

Das optische Nachleuchten der Blitze verrät ihre Distanz


Eine weitere aufschlussreiche Entdeckung gelang einer italienischen Astronomengruppe im Mai vergangenen Jahres. Die Forscher schafften es, mit einem Polarimeter am 8,2-Meter-Antu-Teleskop des Very Large Telescope (VLT) der Eso auf dem Cerro Paranál (Chile) 18 Stunden nach einem Gammaburst die Polarisation der Strahlung beim optischen "Nachleuchten" zu bestimmen. Es war die genaueste Polarisationsmessung, die jemals bei einem derart lichtschwachen Objekt gemacht wurde.

Das Ergebnis gibt einen interessanten Hinweis auf den Mechanismus der Energie-Erzeugung beim optischen Nachleuchten. Aus der gemessenen linearen Polarisation des Lichts lässt sich nämlich schließen, dass es sich um Synchrotronstrahlung handelt, wie sie Elektronen auf Spiralbahnen in einem Magnetfeld aussenden.

Doch auch derart verfeinerte Beobachtungsergebnisse haben das grundlegende Rätsel bisher nicht lösen können, wie Gammablitze zu Stande kommen. Selbst wenn man sehr exotische Szenarien wie kollabierende extrem massereiche Sterne oder verschmelzende Schwarze Löcher konstruiert, hat man Probleme, die enorme Energie-Abgabe zu erklären. Einen vagen Anhaltspunkt für den Entstehungsmechanismus der Ausbrüche liefern lediglich Befunde, wonach die Bursts anscheinend bevorzugt in den Sternentstehungsgebieten entfernter Galaxien auftreten.

Ende letzten Jahres wurde schließlich der bisher bei weitem fernste Gammaburst entdeckt; er erhielt die Bezeichnung GRB000131. Seine Rotverschiebung von 4,50 entspricht einer Distanz von etwa zehn Milliarden Lichtjahren. Die Galaxie, in der das Ereignis stattfand, leuchtet deshalb so schwach, dass sie im optischen Bereich zuvor nicht sichtbar war.

Den Burst registrierte ein Satellitennetzwerk; aus den unterschiedlichen Ankunftszeiten bei den verschiedenen Satelliten ließ sich die Quelle durch Triangulation auf eine etwa fünfzig Bogenminuten zum Quadrat große Himmelsregion eingrenzen. 84 Stunden nach dem Ausbruch wurde das Objekt auch im optischen Bereich mit dem VLT registriert. Beobachtungen des Nachleuchtens mit zwei Teleskopen in La Silla und mit dem VLT zeigten rotes Licht ohne blaue und grüne Anteile und deuteten bereits auf eine sehr große Rotverschiebung hin; sie ließ sich in einer dreistündigen Messung mit dem Spektrometer FORS1 am Teleskop Antu des VLT schließlich genau bestimmen.

Entscheidendes Merkmal war dabei ein markanter Intensitätsabfall im Spektrum bei Wellenlängen unter etwa 670 Nanometern. Er rührt daher, dass Wasserstoffwolken an verschiedenen Stellen der Sichtlinie alles kurzwelligere Licht absorbieren. Die Wasserstoffatome gehen dabei jeweils aus dem Grundzustand in den ersten angeregten Zustand über. Die Wellenlänge, bei der dies geschieht, hängt vom Abstand der jeweiligen Wolke ab. Je weiter sie entfernt ist, desto stärker ins Rote ist die Absorptionslinie verschoben. Man findet also eine fast kontinuierliche Serie von solchen Linien zwischen der Wellenlänge, bei der die Absorption in einem irdischen Labor stattfindet, und derjenigen, bei der sie in der letzten Wolke unmittelbar vor dem Objekt auftritt, dessen Licht registriert wurde.

Im Labor liegt die so genannte Lyman-Alpha-Linie, von der hier die Rede ist, im ultravioletten Bereich bei 121,6 Nanometern. Der Intensitätsabfall, der die Position der letzten Wolke vor dem Burster anzeigt, befindet sich dagegen bei 668,8 Nanometern im langwelligen sichtbaren Bereich. Daraus errechnet sich die erwähnte Rotverschiebung von 4,50 für das Nachleuchten des Gammabursts.

Die beim Ausbruch allein in Form von Gammastrahlen freigesetzte Energie betrug etwa 10E54 erg. Das entspricht der Energiemenge, welche die Sonne in acht Billionen Jahren in allen Spektralbereichen abstrahlen würde (wenn sie nicht in rund fünf Milliarden Jahren bereits verglühen würde). In diesem Jahr setzen die Gamma-Astronomen nun ihren ganzen Ehrgeiz daran, auch die Wirtsgalaxie zu identifizieren und ihre Eigenschaften so genau wie möglich zu untersuchen.

Wegen der Rekorddistanz dieses Gammabursters stammt die von ihm ausgesandte Strahlung aus einer Zeit, als das All erst etwa ein Zehntel so alt war wie heute. Die Untersuchung derart ferner Ausbrüche hochenergetischer Strahlung dürfte sich deshalb hervorragend dazu eignen, den frühen Kosmos zu erforschen – insbesondere die Vorgänge, die damals bei der Sternentstehung abliefen.

Der am 2. Oktober letzten Jahres gestartete Satellit Hete-2 (High Energy Transient Explorer 2) wird wesentlich dazu beitragen, die Zeitspanne zwischen der Entdeckung eines Gammabursts und dem Aufspüren seines optischen Gegenstücks zu verkürzen. Er misst Röntgen- und Gammastrahlung im Energiebereich von 0,5 bis über 400 Kiloelektronenvolt und ermöglicht die ziemlich genaue Lokalisierung eines Gammabursts; das Ergebnis wird bereits 10 bis 20 Sekunden nach der Entdeckung an die terrestrischen Observatorien weitergeleitet. Sie können dann sofort beginnen, nach optischem Gegenstück, Nachleuchten und Wirtsgalaxie zu fahnden. Trotz allem werden sie freilich nur in der Minderheit der Fälle Erfolg haben: Aus unbekannten Gründen bleiben 60 Prozent der Bursts im sichtbaren Spektralbereich dunkel und haben auch kein optisches Nachleuchten.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 2001, Seite 17
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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