21.11.2019 • Astrophysik

Kosmische Gammastrahlenblitze mit Rekordenergie

Erstmals Nachweis mit erdgebundenen Gammastrahlen-Teleskopen gelungen.

Die stärksten Explosionen des Universums strahlen noch energie­reicher als bislang bekannt: Zwei inter­nationale Teams haben mit Spezial­teleskopen die energie­reichsten Gamma­strahlen von Gamma-Ray Bursts registriert, die jemals gemessen worden sind. Es handelt sich zugleich um die ersten Nachweise von Gamma-Ray Bursts mit erdge­bundenen Gamma­strahlen-Teleskopen.

Abb.: Gamma-Ray Bursts können von einer Supernova ausgelöst werden, bei der...
Abb.: Gamma-Ray Bursts können von einer Supernova ausgelöst werden, bei der sich ein schwarzes Loch bildet. Aus der Umgebung des schwarzen Lochs schießen Jets ins All, in denen elektrisch geladene Teilchen beschleunigt werden, die wiederum in der Wechselwirkung mit Magnet- und Strahlungsfeldern Gammastrahlung erzeugen. (Bild: DESY / Science Communication Lab)

Gamma-Ray Bursts, kurz GRBs, sind plötzliche, kurze Ausbrüche von Gamma­strahlung, die sich etwa einmal pro Tag irgendwo im sichtbaren Universum ereignen. Die Gamma­blitze stammen nach aktuellem Wissen von kolli­die­renden Neutrone­nsternen oder aus Super­novae, bei denen schwarze Löcher entstehen. Mit erdge­bundenen Teleskopen ließen sich die Gammaquanten der Blitze bislang nicht beobachten, weil die Erdatmo­sphäre diese schluckt. Doch Astronomen haben Spezial­teleskope entwickelt, die das schwache, bläuliche Tscherenkow-Licht registrieren, das kosmische Gamma­strahlung in der Erdatmo­sphäre erzeugt.

Diese Instrumente können jedoch nur sehr energie­reiche Gamma-Photonen nachweisen. Die Helligkeit von Gamma-Ray Bursts fällt aber mit steigender Energie steil ab. Tscherenkow-Teleskope haben zwar zahlreiche Quellen kosmischer Gamma­strahlung bei sehr hohen Energien identi­fiziert, ein Gamma-Ray Burst war bislang jedoch nicht darunter. Satelliten dagegen sehen zwar regel­mäßig Gamma­blitze, haben aber viel zu kleine Detektor­flächen, um für die sehr geringe Hellig­keit der Gamma­strahlen­ausbrüche bei sehr hohen Energien empfind­lich zu sein. Daher war es bislang unklar, ob GRBs auch Gamma­strahlung bei sehr hohen Energien aussenden.

Zwischen Sommer 2018 und Januar 2019 haben nun gleich zwei inter­nationale Teams erstmals Gamma­strahlung von GRBs mit erdge­bundenen Teleskopen nach­gewiesen. Am 20. Juli 2018 konnte das 28-Meter-Gamma­strahlen­teleskop des High Energy Stereo­scopic System, abgekürzt H.E.S.S., in Namibia das schwache Nach­leuchten des Gamma­strahlen­ausbruchs GRB 180720B beobachten. Und am 14. Januar 2019 registrierten die Major Atmo­spheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes, kurz MAGIC, auf La Palma helle Gamma­strahlung aus der frühen Phase von GRB 190114C.

Beide Beobachtungen waren durch Gammastrahlen-Satelliten der NASA ausgelöst worden, die den Himmel nach Gamma­blitzen absuchen und auto­matische Benach­richti­gungen an Obser­va­torien wie H.E.S.S. und MAGIC verschicken. „Wir konnten so schnell auf die Herkunfts­region schwenken, dass wir nur 57 Sekunden nach dem ursprüng­lichen Nachweis der Explosion mit der Beobachtung beginnen konnten“, berichtet Cosimo Nigro vom DESY, der zu dieser Zeit die MAGIC-Beobachtungs­schicht leitete. „In den ersten zwanzig Minuten der Beobachtung haben wir rund tausend Photonen von GRB 190114C registriert.“ MAGIC beobachtete Gamma­quanten mit Energien zwischen 0,2 und einem Tera-Elektronen­volt. „Das sind bei weitem die höchst­energe­tischen Photonen, die jemals von einem Gamma-Ray Burst entdeckt worden sind“, sagt die Leiterin der MAGIC-Gruppe bei DESY, Elisa Bernardini.

Die frühe Entdeckung ermöglichte es, dass mehr als zwanzig andere Teleskope in zahl­reichen Wellen­längen­bereichen einen genaueren Blick auf das Objekt werfen konnten. So ließen sich Details der physika­lischen Mechanismen entschlüsseln, die für die Strahlung der höchsten Energien verant­wort­lich sind. Die Nach­beobach­tungen bestimmten auch die Entfernung von GRB 190114C zu mehr als vier Milliarden Licht­jahren.

GRB 180720B war mit einer Distanz von sechs Milliarden Licht­jahren noch weiter entfernt. Dennoch ließ sich seine Gamma­strahlung im Bereich von 100 bis 440 Giga-Elektronen­volt auch lange nach dem ursprüng­lichen Blitz nach­weisen. „Über­raschender­weise konnte das H.E.S.S.-Teleskop noch zehn Stunden nach der ersten Satelliten­beobachtung der Explosion einen Über­schuss von 119 Gamma­quanten aus der Richtung des Ausbruchs registrieren“, sagt der Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY, Stefan Ohm.

„Der Nachweis kam recht unerwartet, da Gamma­strahlen­ausbrüche schnell an Helligkeit verlieren. Sie besitzen zwar ein Nach­glühen, das noch Stunden oder manchmal sogar Tage in vielen Wellen­längen­bereichen von Radio­wellen bis zur Röntgen­strahlung beobachtet werden kann, aber nie zuvor in der sehr energie­reichen Gamma­strahlung nach­ge­wiesen wurde“, erläutert DESY-Theoretiker Andrew Taylor, der an der H.E.S.S.-Analyse beteiligt war. „Dieser Erfolg ist auch einer verbesserten Nach­beobach­tungs­strategie zu verdanken, bei der wir uns auch auf spätere Zeiten nach dem eigentlichen Stern­kollaps konzentrieren.“

Die Erzeugung der sehr energiereichen Gamma­strahlung physikalisch zu erklären, ist eine Heraus­forderung. Beide Teams gehen von einem zwei­stufigen Prozess aus: Zunächst werden schnelle elektrisch geladene Teilchen in den starken Magnet­feldern der Explosions­wolke abgelenkt und senden dabei Synchrotron­strahlung aus. Allerdings kann diese Synchrotron­strahlung nur unter Extrem­bedingungen die beobachteten sehr hohen Energien erreichen. Statt­dessen nehmen die Forscher an, dass diese Photonen in einem zweiten Schritt wiederum mit den schnellen elektrisch geladenen Teilchen zusammen­stoßen und durch diese inverse Compton-Streuung auf die beobachtete sehr hohe Energie gebracht werden.

DESY / RK

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