Schwacher Gammablitz

Ein ungewöhnlicher Gammablitz widerlegt die bisherige Meinung, dass alle Ausbrüche kosmischer Gammastrahlen ähnliche Energiemengen freisetzen.

Ein am 3. Dezember 2003 durch das Gammastrahlenobservatorium "Integral" der ESA entdeckter Gammablitz gehört zu den erdnächsten und zugleich den schwächsten, die man bisher beobachtet hat. Wie ein internationales Team von Astronomen unter Beteiligung von Wissenschaftern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching jetzt herausgefunden hat, legt der Gammablitz mit der Bezeichnung GRB 031203 die Vermutung nahe, dass eine ganze Population von energiearmen Gammablitzen bislang der Beobachtung entgangen ist.

Abb. 1: Künstlerische Darstellung des internationalen Gammastrahlen-Astrophysik-Labors "Integral" (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) der Europäischen Weltraumagentur ESA. Die Messinstrumente und wissenschaftlichen Datenzentren werden von den Mitgliedsländern der ESA, insbesondere von den am Projekt hauptsächlich beteiligten Ländern Dänemark, Deutschland, Frankreich, Italien, Schweiz und Spanien, von der Tschechischen Republik und Polen sowie mit einer Beteiligung von Russland und den USA finanziert. (Quelle: ESA)

Kosmische Gammablitze (gamma-ray bursts, GRB) sind Gammastrahlenausbrüche, die weniger als eine Sekunde, aber auch viele Minuten dauern können. Sie können in allen Himmelsrichtungen mit gleicher Wahrscheinlichkeit beobachtet werden. Man vermutet, dass ein großer Teil von ihnen dadurch entsteht, dass sich ein Schwarzes Loch im Zentrum eines sterbenden Sterns in einer weit entfernten Galaxie bildet. Astronomen nehmen an, dass eine heiße Gasscheibe um das Schwarze Loch riesige Energiemengen freisetzt, wenn das Gas ins Schwarze Loch fällt, wodurch ein sehr energiereicher Strahl ("Jet") entlang der Rotationsachse des sterbenden Sterns entsteht.

Bisherige Vorstellungen besagen, dass alle Gammablitze ähnliche Energiemengen in Gammastrahlung freisetzen. Der Teil, der davon auf der Erde empfangen wird, sollte demzufolge nur von der "Breite" (Öffnungswinkel) des Strahls, der Strahlrichtung sowie der Entfernung der Quelle von der Erde abhängen. Die empfangene Energie wäre daher größer, wenn der Strahl eng ist und genau auf uns zeigt, und kleiner, wenn der Strahl breit oder von uns weg gerichtet ist.

Die neuen Messungen, durchgeführt mit den Hochenergie-Observatorien "Integral" und "XMM-Newton" der ESA, zeigen jedoch, dass dieses Bild zu einfach ist und die Energie, die in Gammablitzen abgestrahlt wird, deutlich variieren kann. "Die Idee, dass alle Gammablitze dieselbe Menge Gammastrahlung freisetzen oder, wie wir sagen ‚Standardkerzen’ sind, wird durch die neuen Beobachtungen widerlegt", sagt Sergey Sazonov, einer der Autoren der Studie und Wissenschaftler am Space Research Institute der russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau und am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München.

Abb. 2: Die Himmelsregion um den Gammablitz GRB 031203, aufgenommen mit dem IBIS-Instrument des "Integral"-Satelliten im Röntgenstrahlen-Energiebereich zwischen 17 und 50 keV. Der Gammablitz war etwa 40 Sekunden lang nachweisbar und hat während dieser Zeit die benachbarten Röntgenquellen Vela X-1 und MX 0836-429 (durch Kreuze markiert) weit überstrahlt. (Quelle: MPI für Astrophysik)

Sazonov und ein internationales Team von Wissenschaftlern haben den von "Integral am 3. Dezember 2003 gesichteten Gammablitz GRB 031203 über Monate mit Hilfe einer ganzen Armada von Observatorien auf der Erde und im Erdorbit intensiv untersucht. In rekordverdächtigen 18 Sekunden nach dem Einsetzen des Blitzes hatte das Blitz-Alarm System von "Integral" bereits die ungefähre Position von GRB 031203 am Himmel bestimmt und die Information an ein Netzwerk von Observatorien rund um den Globus weitergeleitet. Wenige Stunden später konnte eines davon, der "XMM-Newton"-Satellit der ESA, die Position viel genauer festlegen. XMM entdeckte zugleich eine schnell schwächer werdende Quelle von Röntgenstrahlung, die danach auch von optischen Teleskopen und Radioteleskopen auf der Erde gesichtet wurde.

Diese eingehende Flut von Daten brachte dann die Information, dass GRB 031203 in einer "nur" 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie aufgeleuchtet war und damit einer der erdnächsten Gammablitze ist, die jemals gesichtet wurden. Dabei unterschied sich die Art und Weise, wie GRB 031203 mit der Zeit immer schwächer wurde und wie sich seine Energie auf verschiedene Wellenlängen verteilte, zunächst nicht von weiter entfernten Gammablitzen. Doch allmählich wurde den Forschern klar, dass die Vorstellung von "Standardkerzen" bei diesem Ausbruch möglicherweise nicht zutrifft. "Weil er so nah war, sollte GRB 031203 eigentlich sehr hell erscheinen, doch seine Energie in Gammastrahlung ist nach Messungen von "Integral" etwa tausendmal geringer als wir es bei einem Gammablitz normalerweise erwarten", sagt Sazonov.

Abb. 3: Spektrale Energieverteilung von GRB 031203, gemessen durch das IBIS-Instrument des "Integral"-Satelliten. Das zu höheren Photonenenergien steil ansteigende Spektrum bedeutet, dass der größte Teil der Energie des Gammablitzes in Gammastrahlung (bei Photonenenergien über 100 keV) freigesetzt wurde. Viel weiter entfernte und wesentlich stärkere Gammablitze haben ähnliche Spektren. (Quelle: MPI für Astrophysik)

Ein Gammablitz, der im Jahr 1998 in einer noch näheren Galaxie gesichtet wurde, war zwar noch rund hundert mal weniger hell als GRB 031203, doch konnten die Astronomen nicht eindeutig klären, ob es sich wirklich um einen echten Gammablitz gehandelt hatte. Denn der größte Teil seiner Energie wurde in Röntgenstrahlung und nicht in Gammastrahlung freigesetzt. Die Messungen von Sazonov und seinem Team für GRB 031203 bedeuten nun, dass es tatsächlich intrinsisch schwächere Gammablitze zu geben scheint.

US-Astronomen, geleitet von Alicia Soderberg vom California Institute of Technology in Pasadena (USA), haben das "Nachglühen" (afterglow) von GRB 031203 genau untersucht und weitere Belege für diese Schlussfolgerung gefunden. Das Nachglühen, das entsteht, wenn die Explosionswelle des Gammablitzes das verdünnte Gas in der Umgebung der Blitzquelle aufheizt, kann über Wochen oder Monate andauern und wird dabei allmählich schwächer. Mit dem "Chandra"-Röntgenobservatorium der NASA sahen Soderberg und ihre Mitarbeiter, dass die Helligkeit im Röntgenlicht auch etwa tausendmal geringer war als bei typischen, weit entfernten Gammablitzen. Beobachtungen der Forschergruppe mit dem Very Large Array des National Radio Astronomy Observatory in Socorro (USA) bestätigten auch im Radiowellenbereich eine Quelle, die nicht die übliche Helligkeit erreichte.

Sazonov und Soderberg betonen, dass ihre Teams sorgfältig die Möglichkeit überprüft haben, ob vielleicht der Hauptanteil der Energie von GRB 031203 der Messung durch "Integral" entgangen sein könnte. Sazonov meint jedoch, dass "die Tatsache, dass die meiste Energie, die wir gesehen haben, im Gammabereich und nicht als Röntgenstrahlung abgegeben wurde, bedeutet, dass wir den Strahl des Gammablitzes fast direkt auf seiner Achse beobachtet haben". Daher sei es unwahrscheinlich, dass ein Großteil der freigesetzten Energie unsichtbar geblieben ist.

Diese Entdeckung legt nahe, dass eine bisher unbekannte Population von Gammablitzen existiert, welche viel näher, aber auch viel schwächer ist als die Mehrzahl der bislang bekannten, sehr energiereichen und sehr weit entfernten Blitze. Die dafür verantwortlichen Objekte könnten sehr zahlreich sein und daher sogar noch häufiger durch Gammablitze aufleuchten.

Die meisten Ereignisse dieser Art sind bislang der Beobachtung entgangen, weil sie sich an der unteren Grenze der Messbarkeit mit früheren und heutigen Instrumenten befinden. "Integral" könnte gerade empfindlich genug sein, um in den kommenden Jahren noch einige dieser Blitze zu registrieren. Diese wären allerdings nur die Spitze eines Eisbergs. Erst Gamma-Observatorien der nächsten Generation, wie die geplante Swift-Mission der NASA, sollten geeignet sein, die Suche auf noch viel energieärmere Blitze auszudehnen, von denen man eine noch größere Zahl vermutet.

Die "Integral"-Mission der ESA
Das internationale Gammastrahlen-Astrophysik-Labor "Integral" (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) ist das erste Weltraum-Observatorium, das kosmische Phänomene gleichzeitig im Gamma-, Röntgen- und im sichtbaren Spektrum beobachten kann. "Integral" wurde mit einer russischen Proton-Rakete am 17. Oktober 2002 gestartet und befindet sich auf einer stark elliptischen Erdumlaufbahn. Es dient hauptsächlich der Beobachtung von Regionen in unserer Milchstraße, in denen chemische Elemente neu entstehen sowie von kompakten Objekten wie Schwarzen Löchern.

Quelle: MPG \[TJ/AT\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  S. Sazonov, A. Lutovinov und R. Sunyaev, An apparently normal gamma-ray burst with unusually low luminosity, Nature 430, 646 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02748
  Soderberg, S. Kulkarni, E. Berger, D. Fox, M. Sako, D. Frail, A. Gal-Yam, D. Moon, S. Cenko, S. Yost, M. Phillips, E. Persson, W. Freedman, P. Wyatt, R. Jayawardhana und D. Paulson, The sub-energetic GRB 031203 as a cosmic analogue to GRB 980425, Nature 430, 648 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02757   
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de   
• Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching:
  http://www.mpa-garching.mpg.de   
• ESA-Seite zu Integral:
  http://www.esa.int/export/esaMI/Integral/   
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema GRBs finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Astrophysik.