Kosmische Gammastrahlenblitze mit Rekordenergie

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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen:
  The H.E.S.S. Collaboration: A very-high-energy component deep in the γ-ray burst afterglow, Nature 575, 464 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1743-9
  The MAGIC Collaboration: Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C, Nature 575, 455 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1750-x
  The MAGIC Collaboration: Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst, Nature 575, 459 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1754-6
• The MAGIC Telescopes – Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes
• MAGIC-Gruppe, Astroteilchenphysik, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg
• H.E.S.S. – High Energy Stereoscopic System