Wie entstehen kurze GRBs?

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Neue Beobachtungen liefern eindeutige Beweise, wie kurze Gammastrahlungsblitze (Gamma Ray Bursts, GRBs) entstehen.

Im Durchschnitt jeden Tag einmal trifft ein Schauer hochenergetischer Gammastrahlung aus den Tiefen des Alls auf die Erde. Die Astronomen unterscheiden nach ihrer zeitlichen Dauer zwei Arten dieser Gammastrahlungsblitze (Gamma Ray Bursts, GRBs): lange und kurze. Während es für die länger als zwei Sekunden dauernden Blitze ein allgemein akzeptiertes Modell gibt - den Kollaps eines jungen, massereichen Sterns ("Hypernova"), war der Entstehungsprozess kurzer Gamma Ray Bursts bislang unter den Wissenschaftlern noch umstritten. Nun liefern neue Beobachtungen eindeutige Beweise für das von vielen Astronomen favorisierte Modell kollidierender Neutronensterne oder Schwarzer Löcher.

Den ersten derartigen Gamma-Schauer registrierten amerikanische Satelliten am 2. Juli 1967. Die Detektoren der Satelliten vom Typ Vela-4 sollten eigentlich die Einhaltung des Testverbots für Atomwaffen kontrollieren: Auch bei nuklearen Explosionen entsteht Gammastrahlung. Doch die empfangene Strahlung stammte nicht von einem Waffentest - sie kam aus dem Weltall und nicht von der Erde. Rasch wurde das neue Phänomen zur Spielwiese der Theoretiker. Neutronensterne, Schwarze Löcher, hypothetische, materiespeiende „Weiße Löcher“, Antimaterie - keine noch so exotische Möglichkeit wurde ausgelassen.

Abb.: Die Beobachtungen bestätigen das seit langem bevorzugte Modell für die Entstehung kurzer Gammastrahlungsblitze: Zwei extrem kompakte Objekte - Neutronensterne oder schwarze Löcher - stürzen ineinander und senden einen stark gebündelten Strahl im Gammabereich aus. (Quelle: Nature)

Anfang der 1990er Jahre zeigten die Messungen des Compton Gamma Ray Observatory dann, dass die Ausbrüche völlig gleichmäßig über den Himmel verteilt sind. Damit war endgültig klar, dass das Phänomen seinen Ursprung in fernen Galaxien und nicht lokal in unserer Milchstraße haben musste – und dass es sich bei den Gamma Ray Bursts um die energiereichsten Ereignisse im Kosmos handelt.

Der Ursprung der langen Gammablitze konnte 1997 dank des italienisch-niederländischen Satelliten BeppoSAX gelöst werden. Mit den Detektoren dieses Satelliten gelang erstmals der Nachweis eines lang anhaltenden Nachglühens im Röntgenbereich und bei optischen Wellenlängen. Damit konnten die Astronomen belegen, dass die Gammablitze durch den Zusammenbruch des Kerns sehr massereicher Sterne in jungen Galaxien mit einer Rotverschiebung von 1 bis 2 verursacht werden.

Jetzt konnte mit den amerikanischen Satelliten Swift und HETE-2 auch das Geheimnis der kürzeren Gamma Ray Bursts gelüftet werden. Die jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichten Beobachtungen zeigen, dass diese Gammablitze offenbar vorrangig nicht in jungen Galaxien, sondern in älteren Elliptischen Galaxien stattfinden. Allerdings hat HETE-2 auch einen kurzen Gammablitz in einer jungen Galaxie aufgespürt.

Mit den bekannten Entfernungen der Galaxien konnten die Astronomen die tatsächlich bei den Ausbrüchen freiwerdende Energie bestimmen: Sie liegt im Bereich von 10 ⁴⁸ bis 10 ⁵⁰ erg und ist damit rund um das Tausendfache geringer als bei langen Gamma Ray Bursts.

Ursprung, Energie und Verlauf der kurzen Gammaausbrüche und ihres Nachglühens stehen nach Ansicht der Forscher in guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellen der Verschmelzung zweier Neutronensterne oder eines Neutronenstern und eines Schwarzen Lochs.

Bilden solche ultrakompakten Körper ein Doppelsystem, so strahlen sie bei ihrer Bahnbewegung gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie Gravitationswellen ab und verlieren so Bahnenergie. Dadurch nähern sie sich im Verlauf von einigen Millionen bis zu mehreren Milliarden Jahren einander an und kollidieren schließlich miteinander. Für die Zukunft hoffen die Astronomen, mit großen Detektoranlagen wie LIGO und VIRGO auch die Gravitationswellen solcher Objekte nachweisen zu können.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  D.B. Fox et al., The afterglow of GRB 050709 and the nature of the short-hard γ-ray bursts, Nature 437, 845 (2005).
  N. Gehrels et al., A short γ-ray burst apparently associated with an elliptical galaxy at redshift z 5 0.225, Nature 437, 851 (2005).
  J. S. Villasenor et al., Discovery of the short γ-ray burst GRB 050709, Nature 437, 855 (2005).
  J. Hjorth et al., The optical afterglow of the short γ-ray burst GRB 050709, Nature 437, 859 (2005). 
• Compton Gamma Ray Observatory: 
  http://cossc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/index.html 
• BeppoSAX: 
  http://bepposax.gsfc.nasa.gov/bepposax/ 
• Swift: 
  http://swift.gsfc.nasa.gov/docs/swift/swiftsc.html 
• HETE-2: 
  http://swift.gsfc.nasa.gov/docs/swift/swiftsc.html 
• LIGO: 
  http://www.ligo.caltech.edu 
• VIRGO: 
  http://wwwcascina.virgo.infn.it 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema GRBs finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorieverknüpfung Astrophysik+Publikationen.

Weitere Literatur:

• B. Zhang und P. Meszaros, Gamma-ray bursts: progress, problems & prospects, Int. J. Mod. Phys. A19, 2385 (2004). 
• C. Kouveliotou et al., Identification of two classes of gamma-ray burst, Astrophys. J. 413, L101 (1993). 
• J. van Paradijs, C. Kouveliotou und R.A.M.J. Wijers, Gamma-ray burst afterglows, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 38, 379 (2000).