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Gammaastronomie: Blaue Überriesen zünden ultralange Gammastrahlenblitze

Beobachtungen eines ultralangen Gammastrahlenausbruchs deuten auf den Kollaps eines großen und massereichen Sterns als Ursprung der Erscheinung hin. Forscher glauben, dass metallarme Blaue Riesen die Vorläufer dieser spektakulären Himmelsereignisse sein könnten.
Gammablitz GRB 130925A

Gammastrahlenausbrüche zählen zu den energiereichsten Erscheinungen am Himmel. Die seltenen Phänomene wurden Ende der 1960er Jahre erstmals entdeckt und sind in ihrem Ursprung auch heute noch nicht ganz verstanden. Astronomen gehen davon aus, dass zumindest die Ausbrüche, die länger als zwei Sekunden andauern, in Zusammenhang mit Supernovae massereicher Sterne in weit entfernten Galaxien stehen. Dabei entstehen schnell rotierende Schwarze Löcher, die Materie akkretieren und aufheizen. Die Rotation führt im Zusammenspiel mit magnetischen Feldern zu relativistischen Jets, die sich entlang der Rotationsache ausbilden und ihrerseits Materie mit Geschwindigkeiten knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit nach außen transportieren. Treffen diese auf umgebendes Material, so entsteht dabei in den Stoßfronten die hochenergetische Gammastrahlung, die in engen Kegeln gebündelt abgestrahlt wird. Diese richtungsbegrenzte Emission ist auch ein Grund dafür, weswegen die Gammablitze nur selten beobachtet werden – nämlich nur dann, wenn sie genau in Richtung der Erde zeigen. Im Gegensatz zu den langen Gammablitzen werden kurze Ausbrüche mit einer Dauer unterhalb von zwei Sekunden nicht mit Supernovae in Verbindung gebracht. Sie könnten stattdessen durch die Verschmelzung von Neutronensternen auftreten. Den zwei Typen von Gammastrahlenausbrüchen gemein ist das so genannte Nachglühen. Im Nachgang des primären Aufleuchtens bei extrem kurzen Wellenlängen zeichnet es sich durch Strahlung über das gesamte Spektrum vom Radiobereich bis hin zur Röntgenstrahlung aus. Diese kann über Zeiträume von einigen Stunden, aber auch von einigen Tagen beobachtet werden.

GRB 130925A | Die künstlerische Darstellung zeigt, wie die Beobachtungen des Gammablitzes GRB 130925A zu deuten sein könnten. Während des Kollapses eines metallarmen Blauen Überriesen werden Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und in engen Jets fortgeblasen. Dabei wird heiße Materie mitgerissen und bildet eine Art Kokon, der für intensives, thermisches Nachglühen im Röntgenbereich verantwortlich ist.

In den letzten Jahren gelang es Forschern, eine dritte Klasse von Gammastrahlenblitzen zu identifizieren. Die Ausbrüche der so genannten ultralangen Gammablitze dauern rund 100-mal länger an und werden über Stunden hinweg beobachtet. Vier solcher Ereignisse wurden in den letzten Jahren entdeckt – zuletzt der Ausbruch GRB 130925A am 25. September 2013 mit Hilfe von Swift, einem Forschungssatelliten der NASA.

Der italienische Astrophysiker Luigi Piro vom INAF, dem Istituto Astrofisica e Planetologia Spaziali, und Kollegen untersuchten den Ausbruch anhand von Daten einer mehrmonatigen Beobachtungskampagne in unterschiedlichen Bereichen des Strahlungsspektrums. Das Ereignis zeigte mehrere starke Ausbrüche im Gammabereich innerhalb der ersten zwei Stunden und eine auffallend variable, rund sechs Stunden andauernde intensive Röntgenemission, bevor das Nachglühen einsetzte. Während dieses zeigte sich über Wochen ein Strahlungsmuster, das als thermisches Leuchten einer langsam abkühlenden Hülle von konstanter Größe zu deuten ist.

Die Forscher erklären die Beobachtungen mit dem Kollaps eines sehr massereichen und metallarmen Blauen Riesen. Diese Sterne weisen hohe Temperaturen auf und verlieren gegen Ende ihres Lebens weniger Masse als Sterne, die mit schwereren Elementen angereichert sind. Ihre Größe könnte damit als Erklärung für die Dauer des Gammablitzes dienen: Die äußeren Hüllen benötigen länger, um die inneren Regionen zu erreichen, und es ist insgesamt eine größere Menge an Material vorhanden, das die Jetproduktion und damit die Gammaaktivität über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann. Dabei wird heiße Materie nach außen transportiert und bildet die heiße Wolke, die im weiteren Verlauf zur thermischen Strahlung beiträgt.

Sollte das Deutungsmodell der Astronomen im Allgemeinen auf ultralange Gammastrahlenausbrüche zutreffen, dann wäre es eine weitere Erklärung dafür, wieso diese so selten sind. Metallarme und massereiche Sterne der Population III bildeten sich vor allem im frühen Universum, in dem schwere Elemente noch selten waren. Es ist zwar möglich, dass solche auch noch zu deutlich späteren Zeitpunkten in isolierten und metallarmen molekularen Wolken entstanden, jedoch wäre das eine Ausnahme und daher ein seltener Prozess.

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