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Astrophysik: Rekord-Explosion lüftet Geheimnis der Gammablitze

Die gewaltigsten Explosionen im All halten noch viele Rätsel bereit. Zum Beispiel: Setzen sie wirklich auch die energiereichste Strahlung frei? Nun gibt es eine Antwort.
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Gammastrahlenausbrüche sind die energiereichsten Explosionen des Weltalls: Binnen einer Sekunde setzen sie so viel Energie frei wie unsere Sonne während ihrer gesamten, rund zehn Milliarden Jahre währenden Existenz. Ein Teil der extremen Ereignisse geht auf kollidierende Neutronensterne zurück. Dauern die Explosionen länger als ein paar Sekunden, steckt vermutlich der Kollaps besonders großer Sterne dahinter.

Nun haben Forscher entschlüsselt, wie die Strahlung dieser »langen« Gammastrahlenausbrüche überhaupt entsteht – seit 15 Jahren eine der offenen Fragen der Astrophysik. Offenbar spielt dabei ein bislang vernachlässigter physikalischer Prozess eine Schlüsselrolle. Er kann Lichtteilchen auf Rekordenergien beschleunigen, wie die Wissenschaftler um Razmik Mirzoyan vom Münchner Max-Planck-Institut für Physik in »Nature« berichten.

Sichtbar aus Milliarden Lichtjahren Entfernung

Gammablitze, im Englischen »gamma-ray bursts« (GRB) genannt, wurden in den 1960er Jahren von Satelliten entdeckt, die eigentlich sowjetische Atomtests aufspüren sollten. Heute registrieren Forschungssatelliten die Ereignisse beinahe täglich. Sie setzen so viel Strahlung frei, dass sie für spezielle Messinstrumente auch aus Milliarden Lichtjahren Entfernung noch klar nachweisbar sind.

Dennoch weist die Menschheit vermutlich nur einen kleinen Teil der stattgefundenen Ausbrüche nach. Die Energie der Explosion wird nicht gleichmäßig, sondern eng gebündelt in Form zweier gegenläufiger Strahlen, so genannter Jets abgestrahlt. Nur wenn ein solches Bündel in Richtung Erde zeigt, kriegen Forscher etwas von dem Ausbruch mit.

So war es am 14. Januar 2019. Im südlichen Sternbild Fornax leuchtete plötzlich eine neue Quelle im Gammalicht auf; um 21:57:03 Uhr mitteleuropäischer Zeit schlugen die NASA-Satelliten Swift und Fermi Alarm. Zwar war der anfängliche Blitz nach weniger als einer Minute wieder verblasst. Doch manche Gammablitze, darunter auch GRB190114C, zeigen ein Nachleuchten in einem weiten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums, das Minuten, Stunden oder auch Tage sichtbar bleiben kann.

Insgesamt sechs Satelliten und 15 Observatorien am Erdboden konnten daher GRB190114C – beziehungsweise dessen Nachglühen – ins Visier nehmen. Eine besondere Rolle fiel dabei einem Teleskopduo namens MAGIC zu, das auf der Kanarischen Insel La Palma steht.

Die Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescopes sind auf besonders energiereiche Gammastrahlung spezialisiert. Experten sprechen vom Teraelektronvolt-Bereich, gemeint sind Lichtteilchen mit einer Energie von rund einer Billion Elektronvolt. Diese TeV-Strahlung entsteht in erster Linie an extremen Orten, an denen Teilchen auf gewaltige Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Beispiele sind die Überreste von Supernova-Explosionen und die Kernregion mancher Galaxien, in denen Schwarze Löcher Materie wild umherschleudern.

Lücke im obersten Bereich der Energieskala

Eigentlich müssten auch Gammastrahlenausbrüche TeV-Strahlung freisetzen. Bisher hatten irdische Instrumente hier jedoch nur weniger energiereiche Gammastrahlung mit einigen Milliarden Elektronvolt nachgewiesen, Forscher sprechen von Gigaelektronvolt- oder GeV-Strahlung. Weder MAGIC noch ein anderes Teleskop war bisher im obersten Bereich der Energieskala fündig geworden.

Bis zum 14. Januar 2019: Die beiden MAGIC-Teleskope sind so montiert, dass sie trotz ihres Gewichts von jeweils 64 Tonnen in kürzester Zeit auf neue Himmelsobjekte schwenken können. So hatten sie GRB190114C nur 27 Sekunden nach dem ersten Alarm im Blick. 20 Minuten lang konnten die Spiegelteleskope seine Strahlung registrieren – wenn auch nur über einen Umweg: Kein Gammaphoton schafft es bis zum Erdboden, die Lufthülle ist für Gammastrahlung ein undurchdringlicher Schild.

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MAGIC | Die beiden MAGIC-Teleskope stehen auf La Palma. Sie können schnell ihre Blickrichtung ändern und unter anderem das Licht von Gammastrahlenausbrüchen nachweisen.

Stattdessen verwendet MAGIC die Atmosphäre selbst als Detektor. Seine Kameras registrieren ultrakurze Lichtblitze, die entstehen, wenn ein Gammaphoton in der Atmosphäre absorbiert wird. Diese Tscherenkow-Lichtblitze sind zu schwach und mit einer Dauer von wenigen Sekundenbruchteilen zu kurz für das menschliche Auge. Aber mit Hilfe der MAGIC-Teleskope kann man sie nachweisen – und mit ihrer Hilfe die Eigenschaften des Gammalichtteilchens rekonstruieren.

Für MAGICs Elektronik leuchtete GRB190114C einige Minuten lang heller als jede andere Gammaquelle am Himmel. Und die Physiker fanden in ihren Messdaten eindeutige Spuren von Lichtteilchen mit Energien zwischen 0,1 und 1 TeV.

Das wirft jedoch die Frage auf, wie genau Gammastrahlung in GRBs überhaupt entsteht. Bisher gibt es nur Belege für einen einzigen physikalischen Prozess: Demnach entsteht die Strahlung, wenn sich freie Elektronen auf gekrümmten Bahnen durch Magnetfelder bewegen. Diese Synchrotronstrahlung wurde zuerst an kreisrunden Teilchenbeschleunigern entdeckt, mittlerweile ist sie eine Art Allzweckwaffe zur Erklärung energiereicher Strahlung aus dem Weltall – schließlich sind Magnetfelder und geladene Teilchen dort in vielen Regionen allgegenwärtig.

Was kommt jenseits der Synchrotronstrahlung?

Doch bei rund 100 GeV liegt eine natürliche Grenze für Synchrotronstrahlung. Elektronen können sich schlicht nicht schnell genug bewegen, um Lichtteilchen mit höherer Energie zu produzieren. Schwerere Partikel, Protonen etwa, erreichen zwar höhere Energien, erzeugen aber insgesamt zu wenig Synchrotronstrahlung. Eine Alternative bietet das Synchrotron-Selbst-Compton-Modell (SSC): Hierbei geben Elektronen den Lichtteilchen aus der Synchrotronstrahlung einen zusätzlichen Kick, wodurch Letztere auf TeV-Energien kommen können.

Hinweise darauf, dass dieser Prozess in GRBs eine Rolle spielt, kann vor allem das Energiespektrum liefern, mit dem Astrophysiker die Häufigkeit von Strahlung mit verschiedenen Energien darstellen. Laut SSC-Modell müsste es beim Nachleuchten eines GRB eine Doppelhöckerstruktur aufweisen. Es sollte also neben vielen eher energiearmen Gammaphotonen aus der Synchrotronstrahlung auch jede Menge vom SSC-Prozess angeschubste TeV-Lichtteilchen geben.

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H.E.S.S. Teleskope | Die fünf Teleskope von H.E.S.S. stehen in Namibia – das größte ist 600 Tonnen schwer und 40 Meter hoch.

In der Vergangenheit haben Beobachtungen bereits Hinweise für diese Doppelhöckerstruktur geliefert. Die Multiwellenlängenbeobachtungen von GRB190114C und die Sichtung der TeV-Strahlung mit MAGIC liefern nun den eindeutigen Beleg: Der SSC-Prozess spielt eine entscheidende Rolle beim GRB-Nachleuchten.

Die Forscher sind sich auch deshalb sicher, weil bei einem anderen Gammablitz ebenfalls Hinweise auf den SSC-Prozess aufgetaucht sind. Dieser GRB180720B war ein halbes Jahr früher, am 20. Juli 2018, im Sternbild Fische aufgeflammt. Hier war es nicht MAGIC, sondern ein verwandtes Teleskopprojekt in Namibia, das auf den Alarm reagierte.

Anders als ihre Kollegen auf La Palma konnten die Forscher von H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) ihre fünf Teleskope jedoch erst zehn Stunden nach dem Alarm auf die Quelle richten. Das Nachglühen war zu diesem Zeitpunkt erwartungsgemäß stark verblasst. Doch zur Überraschung der Forscher registrierte das Team um Edna Ruiz-Velasco vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg dennoch einige TeV-Gammaphotonen über der kritischen Schwelle für den SSC-Prozess.

Das Timing muss stimmen

Sehr wahrscheinlich handelt es sich bei den von MAGIC und H.E.S.S. aufgefangenen Blitzen nicht um Einzelfälle. Doch auch wenn alle Gammastrahlenausbrüche TeV-Licht freisetzen, müssen mehrere günstige Umstände zusammenkommen, damit man sie mit den heutigen Teleskopen nachweisen kann. So muss das Teleskop im entscheidenden Moment klaren und dunklen Himmel haben und an die richtige Stelle blicken. Der Blitz muss auch verhältnismäßig hell sein und genügend TeV-Photonen in den entscheidenden Minuten zur Erde schicken, denn die Empfindlichkeit der heutigen Instrumente ist begrenzt.

Und schließlich muss er relativ nah aufleuchten. Das war vor allem bei dem von MAGIC beobachteten GRB190114C der Fall – er zählt zu den 50 am nächsten gelegenen GRBs, obwohl sein Licht rund 4,5 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war und damit aus einer Zeit stammte, als das Sonnensystem gerade im Entstehen begriffen war. Wäre die Distanz größer gewesen, hätte MAGIC wohl wie in so vielen Fällen zuvor nichts gesehen. Denn das Universum enthält einen »Nebel« aus Infrarotstrahlung, der das Gammalicht abschwächt – und zwar umso mehr, je energiereicher die Gammaphotonen sind.

Das erklärt, warum die Bestätigung des theoretisch schon lange vermuteten SSC-Prozesses so lange gedauert hat. Doch bald könnten vergleichbare Beobachtungen Alltag sein: In unmittelbarer Nachbarschaft zu den beiden MAGIC-Teleskopen entsteht auf La Palma derzeit der nördliche Standort des Cherenkov Telescope Arrays (CTA), dem TeV-Observatorium der nächsten Generation. Statt nur zwei werden hier dutzende Teleskope in den Nachthimmel schauen.

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