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Hochenergie-Astrophysik: Die Kraftwerke der kurzen Gammastrahlen-Ausbrüche

GRB-SimulationLaden...
Immer wieder erreichen im Abstand von Stunden kurze Ausbrüche enorm energiereicher Gammastrahlung die Erde. Sie dauern oft nur wenige Sekunden und gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Da Gammastrahlen die Erdatmosphäre nicht durchdringen können, müssen sie von speziellen Detektoren auf Satelliten nachgewiesen werden. Tatsächlich registrierten die ersten dieser Gammastrahlenausbrüche, englisch: gamma ray bursts (GRB), Ende der 1960er Jahre die militärischen US-amerikanischen Vela-Satelliten per Zufall, die eigentlich nach Nuklearexplosionen auf der Erde Ausschau hielten.

Lange Zeit war jedoch unklar, welcher Mechanismus die kurzen Gammastrahlenausbrüche, die nicht länger als drei Sekunden andauern, überhaupt erzeugt. Selbst Supernova-Explosionen mit ihren enormen Energiemengen waren zu wenig energiereich, um die beobachteten Strahlungsintensitäten zu erklären. Eine schon seit längerem vorgeschlagene Theorie ging daher von der Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem Schwarzen Loch aus.

Neutronensterne sind die Überreste massereicher Sterne, bei denen nach dem Erlöschen der Kernfusion der Kern zusammenbricht und dabei die Dichte von Atomkernen annimmt. Sie sind nur etwa 30 Kilometer groß, können aber bis zum 1,5-Fachen der Masse unserer Sonne enthalten. Beim Kollaps des Zentrums werden die äußeren Hüllen der Sterne durch Stoßwellen zur Explosion gebracht, sie leuchten dann als Supernovae auf, die für wenige Tage bis Wochen die Leuchtkraft einer ganzen Galaxie überstrahlen können. Ein Doppelstern aus zwei massereichen Sternen bringt nach nur wenigen Millionen Jahren ein enges System aus zwei Neutronensternen hervor.

Ein internationales Forscherteam um Luciano Rezzolla am Max-Planck-Institut für Graviatationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam nutzte den dort installierten Superrechner mit dem Namen Damiana, um mit einer Rechenzeit von sechs Wochen die Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem Schwarzen Loch numerisch zu simulieren. Ihre Simulation lief zudem über den eigentlichen Zeitpunkt der Verschmelzung hinaus und berechnete auch ihre Folgen. Die komplette Simulation spiegelt einen Zeitraum von nur 35 Millisekunden wieder.

Zu Anfang umkreisen sich zwei Neutronensterne in einem schon sehr geringen Abstand, die beide ein starkes Magnetfeld aufweisen. Das aus den beiden Neutronensternen hervorgehende Schwarze Loch ist zunächst von einem Ring aus heißer Materie mit einem relativ schwachen Magnetfeld umgeben, das chaotisch verteilt ist. Dieses instabile System induziert durch die Drehbewegung ein extrem starkes, senkrecht zum Ring ausgerichtetes Magnetfeld, das 1016-mal so stark ist wie das irdische Magnetfeld. Dieses Feld kanalisiert die ultraheiße Materie im Umfeld des Schwarzen Lochs zu zwei Gasstrahlen, so genannten Jets, die in Richtung der Rotationachse hervorbrechen. Sie sind kurzzeitig so energiereich, dass dabei die beobachtete Gammastrahlung freigesetzt wird.

Mit dieser Simulation ließ sich erstmals zeigen, wie aus dem Chaos der Verschmelzung die Ordnung entsteht, die für die Aussendung der Jets und damit der Gammastrahlung notwendig ist. Damit ließ sich eine Brücke schlagen zwischen den theoretischen Modellen und den tatsächlichen Beobachtungen.

Tilmann Althaus

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  • Quellen
L. Rezzolla, B. Giacomazzo, L. Baiotti, J. Granot, C. Kouveliotou, M. A. Aloy: The Missing Link: Merging Neutron Stars naturally produce Jet-like Structures and can power short Gamma-Ray Bursts, Astrophysical Journal Letters, 732:L6, 2011

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