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Astrophysik: Kurz geblitzt

Lange und kurze Blitze im Gammalicht erhellen für flüchtige Momente den Kosmos, wie es kaum ein anderes Ereignis tut. Während mittlerweile die Quelle der langen Blitze gefunden zu sein scheint, liegt die Herkunft der kurzen Blitze noch weitgehend im Dunkeln. Computersimulationen könnten etwas Licht auf die Ursprünge der Strahlung werfen.
Schwarzes Loch Laden...
Gammablitze gehören zu den energiereichsten und hellsten Explosionen im Universum. Sie ereignen sich im Schnitt einmal am Tag, sind zwischen einer tausendstel Sekunde und mehreren hundert Sekunden lang, und werden in allen Himmelsrichtungen beobachtet. Die Strahlung, die energiereicher als sichtbares Licht ist, lässt sich von Satelliten im Weltraum messen. Beobachtungen ergaben, dass die Blitze binnen einer Sekunde mehr Energie freisetzen als die Sonne in ihrem ganzen Leben.

Dabei lassen sich die mehr als 2700 aufgezeichneten Gammablitze in zwei Gruppen einteilen: Die langen Blitze emittieren Gammastrahlung für mehr als zwei Sekunden, während die kurzen Blitze unter zwei Sekunden strahlen. Bislang waren nur die langen Blitze genau zu beobachten, und das bei ihnen gefundene "Nachglühen" im Bereich der Röntgenstrahlung, im sichtbaren Licht und bei Radiowellenlängen hat es erlaubt, ihre Entfernung zu bestimmen. In der Regel stammt die Strahlung demnach aus Milliarden von Lichtjahren entfernten Galaxien.

Bis vor kurzem waren die Quellen dieser Strahlung vollkommen unbekannt. Durch genauere Beobachtungen häuften sich allerdings Hinweise, dass sie bei gewaltigen Explosionen sehr schwerer Sterne erzeugt werden. Eine endgültige Bestätigung dieser Vermutung gelang mit dem Gammablitz vom 29. März 2003, GRB030329, der vom Satelliten High-Energy Transient Explorer (HETE) aufgezeichnet wurde. Erstmals konnte dieser Blitz zweifelsfrei mit der außergewöhnlichen Supernova SN 2003dh in zwei Milliarden Lichtjahre Entfernung in Verbindung gebracht werden. Wo aber kommt die gewaltige Energie her, die in den Gammablitzen frei wird?

Die am weitesten verbreitete Theorie besagt, dass die Energiequelle ein rotierendes Schwarzes Loch ist, das sich bildet, wenn der zentrale Kern eines sterbenden Sterns instabil wird und unter seiner eigenen Schwerkraft in sich zusammenstürzt. Dieses neu entstandene Schwarze Loch verschlingt in der Folge den größten Teil der kollabierenden Sternmaterie und setzt andererseits riesige Energiemengen in Form zweier Jets frei. Diese Gasströme expandieren mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in Richtung der Rotationsachse des Sterns. Bevor sie aus der Sternoberfläche ausbrechen, müssen sie sich allerdings ihren Weg durch dicke Schichten von Sternmaterie bahnen und werden dabei in sehr enge Strahlen gebündelt. Tatsächlich bestätigen Beobachtungen nicht nur den Ursprung langer Gammablitze von explodierenden Sternen, sondern liefern auch Hinweise darauf, dass die Gammastrahlung von eben jenen eng gebündelten, hochrelativistischen Jets stammt.

Neutronensterne verschmelzenLaden...
Neutronensterne verschmelzen | Phasen der Verschmelzung zweier Neutronensterne (von links oben nach rechts unten). Die Sterne heizen sich beim gegenseitigen Aufprall stark auf und es entsteht eine Wolke heißer Materie, die einen sehr viel dichteren, zentralen Überrest umgibt. Dieser kollabiert mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Schwarzen Loch. Die dargestellte Entwicklung dauert rund eine hundertstel Sekunde.
Rotierende, stellare Schwarze Löcher entstehen aber auch bei anderen kosmischen Ereignissen, zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne oder eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch. Solche kompakten Objekte umkreisen sich in Doppelsternsystemen Hunderte Millionen Jahre, wobei ihr Bahnabstand durch Gravitationswellen-Abstrahlung fortwährend schrumpft. Nach der unausweichlichen, finalen Katastrophe verbleibt für Sekundenbruchteile ein dicker Ring heißer Materie um das Schwarze Loch. Verschwindet nun diese Materie endgültig im Schwarzen Loch, dann könnte das Gammablitze auslösen – so argumentierten zumindest Theoretiker. Verschmelzende kompakte Sterne gelten demnach als heiße Kandidaten für die Herkunft der immer noch mysteriösen kurzen Gammablitze.

Akkretionstorus Laden...
Akkretionstorus | Ein heißer, dicker Akkretionstorus umgibt das rotierende Schwarze Loch, das sich aus dem dichten Innern des Überrests einer Neutronensternverschmelzung gebildet hat.
Miguel Aloy, Hans-Thomas Janka und Ewald Müller vom Max-Planck-Institut für Astrophysik haben nun mit genaueren Modellen untersucht, wie die hochrelativistischen polaren Jets durch Energiefreisetzung – zum Beispiel durch Elementarteilchenprozesse – in unmittelbarer Nähe eines Schwarzen Lochs entstehen. Dabei berücksichtigen die Computersimulationen die Effekte von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und bestätigen, dass kurze Blitze Eigenschaften besitzen sollten, die sich charakteristisch von denen langer unterscheiden.

JetbildungLaden...
Jetbildung | Ausgeschleudertes Gas um das Schwarze Loch-Torus-System mehr als eine halbe Sekunde nach Beginn der Energiefreisetzung am Schwarzen Loch. Die axialen Jets (helle, weiße Gebiete) haben Geschwindigkeiten von über 99,995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und erstrecken sich weiter als 150 000 Kilometer. Diese hochrelativistischen Gasströme erzeugen bei noch größeren Abständen vom Schwarzen Loch einen Gammablitz. Das seitlich abströmende Gas ist wesentlich energieärmer und langsamer, es erreicht nur Geschwindigkeiten von maximal 98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit (rote Gebiete). Das rechte Bild zeigt eine Vergrößerung der unmittelbaren Umgebung des zentralen Schwarzen Lochs bis zu einem Radius von rund 400 Kilometer. Man sieht die Jetentstehung und den ausgedehnten Akkretionstorus, in dessen weißlichen Gebieten eine Gasdichte von mehr als 1000 Kilogramm pro Kubikzentimeter herrscht.
Weil nun das Schwarze Loch in einem Doppelsystem nicht im Zentrum eines Sterns entsteht, müssen die Jets nicht ihren Weg durch dichte Sternschichten nach außen bahnen. Sie erreichen daher sehr schnell extrem hohe Geschwindigkeiten und werden erst durch die dicke Gasscheibe um das Schwarze Loch in enge Strahlen von 5 bis 10 Grad gebündelt. Damit sind diese Gammajets nur wenig weiter als diejenigen von sterbenden Solo-Sternen. Ferner sagen die Modelle voraus, dass außerhalb dieser polaren Kegel nur sehr schwache Gammastrahlung emittiert wird. Von rund 100 Doppelsternverschmelzungen sollte deshalb nur einer einen beobachtbaren Gammablitz verursachen – dann nämlich, wenn einer der Jets genau auf die Erde gerichtet ist. Kurze Gammablitze können fast genauso hell sein wie lange Blitze, obwohl ihre Energie 100-mal geringer ist.

Bislang war es nicht möglich, mit Satelliten detaillierte Messungen an kurzen Gammablitzen vorzunehmen. Es besteht aber Hoffnung, dass sich die Modellvorhersagen bald überprüfen lassen. Im Herbst 2004 wird ein neues Instrument in den Erdorbit geschossen, der Swift Gamma-Ray Burst Explorer, ein Gamma-Teleskop, das die Nasa mit internationaler Beteiligung betreiben wird. Eines der Hauptziele der Mission ist, endlich die Geheimnisse der kurzen Gammablitze zu lüften.
03.09.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 03.09.2004

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