Ein extremer Gammaausbruch

Gammastrahlungsausbrüche sind die energiereichsten Ereignisse im Kosmos. Sie künden vom Ende supermassiver Sterne in weit entfernten Galaxien. Am 16. September 2008 registrierten die Detektoren des Satellitenobservatoriums Fermi ein besonders heftiges Exemplar eines Gammaausbruchs: Er war nicht nur leuchtkräftiger als alle bislang gemessenen Ausbrüche, sondern überschüttete die Detektoren mit Gamma-Photonen bis zu einer Energie von 13 GeV. Typische Gammaausbrüche enthalten dagegen lediglich Photonen bis zu etwa 1 MeV. Die Fermi-Wissenschaftlerteams berichten jetzt in der Online-Ausgabe von Science über ihre Beobachtungen des gewaltigen Ausbruchs.

"Beobachtungen von Gammastrahlen mit Energien oberhalb von 100 MeV sind besonders wichtig, weil sie uns Informationen über die Strahlungsquelle und ihre Umgebung liefern", schreiben die Autoren. Doch bislang konnten nur wenige hochenergetische Gamma-Photonen nachgewiesen werden und ihre genaue Herkunft blieb dementsprechend unklar.

Das am 1. Juni 2008 gestartete Satellitenobservatorium Fermi bietet mit seinen beiden Detektoren, dem Gamma-ray Burst Monitor GBM und dem Large Area Telescope LAT erstmalig die Möglichkeit, Gammaausbrüche über einen weiten Spektralbereich zu beobachten. Der GBM deckt den Bereich von 8 keV bis 1 MeV ab, und das LAT kann Photonen im Bereich von 20 MeV bis zu 300 GeV registrieren. Bei dem Ausbruch vom 16. September 2008 registrierte das LAT 145 Photonen oberhalb von 100 MeV, davon besaßen 14 eine Energie von über einem GeV.

Mithilfe von Nachbeobachtungen am Gamma-ray Burst Optical/Near-infrared Detector GROND des 2,2-Meter-Spiegelteleskops der Europäischen Südsternwarte auf dem Berg La Silla in Chile konnten die Astronomen die Rotverschiebung des Ausbruchs bestimmen. Sie beträgt 4,35, das entspricht einer Lichtlaufzeit von 12,2 Milliarden Lichtjahren.

Unter der Annahme einer isotropen Energieabstrahlung, so berechnen die Forscher daraus, hätte der Gammaausbruch insgesamt eine Energie freigesetzt, die der 4,9-fachen Gesamtmasse unserer Sonne entspräche. "Das ist ein starker Hinweis darauf, dass die Abstrahlung nur in einen kleinen Teil des Raumes erfolgt sein muss, also in einem engen Strahl gebündelt", so die Autoren.

Die Emission der Gammastrahlung muss zudem in einem auf die Erde gerichteten relativistischen Jet stattfinden, da es andernfalls zu einer starken Abschwächung der hochenergetischen Gammastrahlung durch Paarproduktion kommen würde. Aus dem Spektrum der Gammastrahlung erhalten die Autoren für diesen Jet einen Lorentzfaktor von etwa 800 - das entspricht 99,9999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Der immense Energiebereich, den die Gammastrahlung des Ausbruchs vom 16. September 2008 überdeckt, macht es zudem möglich, eine eventuelle Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von der Frequenz zu überprüfen, wie sie von einigen Quantengravitations-Theorien vorhergesagt wird. Das Photon mit der höchsten Energie von 13,2 GeV traf 16,54 Sekunden nach den ersten Gammaquanten des Ausbruchs ein. "Daraus können wir einen robusten unteren Grenzwert von 1,3 x10¹⁹ GeV/c² für die Quantengravitationsmasse ableiten", schreiben die Forscher. Diese Quantengravitationsmasse ist ein Maß für die Energieskala, ab der die Gravitation die Eigenschaften der Elementarteilchen beeinflusst.

Rainer Kayser


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  The Fermi LAT and Fermi GBM Collaboration, Fermi Observations of High-Energy Gamma-Ray Emission from GRB 080916C. Science Express 19. Februar 2009
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1169101
• K. Hurley et al., Detection of a Gamma-Ray Burst of Very Long Duration and Very High Energy, Nature 372, 652 (1994)
• M. M. Gonzalez et al., A γ-ray burst with a high-energy spectral component inconsistent with the synchrotron shock model. Nature 424, 749 (2003)
• Fermi Gamma-ray Space Telescope:
  http://fermi.gsfc.nasa.gov/
• GROND:
  http://www.mpe.mpg.de/~jcg/GROND/
  

AL