Jenseits des sichtbaren Lichts: Die Geheimnisse von Gamma enthüllen

Von der National Research University Higher School of Economics, 1. August 2023

Sterne mit mehr als zehnfacher Sonnenmasse erleiden katastrophale Explosionen und verwandeln sich in Schwarze Löcher, begleitet von kurzen und unvorhersehbaren Gammastrahlenausbrüchen, die mit Weltraumteleskopen erkennbar sind. Eine detaillierte Untersuchung dieser Ausbrüche und der damit verbundenen optischen Strahlung, wie sie im GRB 210619B von 2021 zu sehen ist, hat unschätzbare Daten über die Funktionsweise dieser Sternexplosionen und die Bedingungen, die sie schaffen, geliefert.

Joseph Shklovsky, einer der Pioniere der modernen Astrophysik, ging davon aus, dass die Existenz eines Sterns ein ewiger Kampf zwischen zwei widersprüchlichen Kräften ist: der Schwerkraft, die den Stern schrumpfen lässt, und dem entgegengesetzten Gasdruck, der ihn zu zerstreuen versucht. Wenn die thermonuklearen Reaktionen, die den Kern des Sterns antreiben, aufhören, verliert der Stern seine Fähigkeit, das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, und beginnt in einen singulären Punkt zu kollabieren.

Tritt dieses Szenario bei einem Stern auf, dessen Masse das Zehnfache der Masse unserer Sonne übersteigt, kommt es zur Kontraktion des Kerns und zur explosionsartigen Zerstörung der äußeren Hülle. Dies führt zu einer außerordentlich starken Explosion im galaktischen Maßstab. So verwandeln sich die massereichsten Sterne in Schwarze Löcher.

Diese Explosionen werden von einem intensiven Ausbruch von Gammastrahlung begleitet – einem Strom von Photonen, deren Energie millionenfach größer ist als die uns bekannten sichtbaren Lichtquanten.

Ein Gammastrahlenausbruch ist ein äußerst kurzes – mit einer Dauer von Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren hundert Sekunden – und unvorhersehbares Ereignis. Es gibt keine Möglichkeit, die genaue Position am Himmel und den genauen Zeitpunkt eines Gammastrahlenausbruchs vorherzusagen. Da die Erdatmosphäre außerdem Gammastrahlung blockiert, können Gammastrahlenausbrüche nur mit Weltraumteleskopen nachgewiesen werden.

Gammastrahlenausbrüche werden seit Ende der 1960er Jahre aufgezeichnet. Viele Jahre lang erfassten Wissenschaftler nur Gammastrahlung, die für das menschliche Auge unsichtbar war. Es gab jedoch Hinweise darauf, dass diese Ausbrüche von optischer Strahlung begleitet sein könnten, die von der Erde aus beobachtet werden kann. Tatsächlich wurde es am 23. Januar 1999 zum ersten Mal beobachtet.

Um die schnelle Erkennung optischer Strahlung zu ermöglichen, haben Wissenschaftler Roboterteleskope entwickelt, die in der Lage sind, Echtzeitdaten direkt vom Ort des Ausbruchs zu sammeln. Am 20. Juni 2021 wurde GRB 210619B, einer der stärksten bisher dokumentierten Gammastrahlenausbrüche, mit Teleskopen in der Tschechischen Republik und Spanien sowie mit dem russischen Mini-MegaTORTORA-System der Kasaner Föderalen Universität beobachtet der Nordkaukasus. Die Teleskope begannen 28 Sekunden nach dem Gammablitz mit der Aufzeichnung des leuchtenden Nachleuchtens. Die gleichzeitig von drei Teleskopen erfassten Daten ermöglichten es, die Gesamtform der Lichtkurve, die Steigung des optischen Spektrums zu verschiedenen Zeiten und die frühe Multibandentwicklung der optischen Strahlung zu rekonstruieren.

"Wir hatten Glück. Zuerst beobachteten wir ein ziemlich helles Nachleuchten. Zweitens haben wir es mit einer hohen zeitlichen Auflösung beobachtet, indem wir häufig Bilder aufgenommen haben. Drittens haben wir Informationen über das Spektrum optischer Strahlung erhalten. Im Mini-MegaTORTORA-System konnten wir Beobachtungen mit einer Reihe optischer Filter, darunter blaue und sichtbare (Gelbgrün), gleichzeitig durchführen. Mit anderen Worten: Wir haben nicht nur die Gesamthelligkeit gemessen, sondern auch die Helligkeit, die in bestimmten einzelnen Farben angezeigt wird. „Das ist ein seltener, praktisch einzigartiger Fall“, sagt Anton Biryukov, Mitautor der Studie und außerordentlicher Professor der HSE-Fakultät für Physik.

Die Verfügbarkeit detaillierter Daten zur Strahlung in verschiedenen Wellenbändern, einschließlich des optischen Bereichs, ermöglichte es, die physikalischen Parameter des Mediums zu bestimmen, das mit dem Gammastrahlenausbruch in der Region verbunden ist, in der die optische Strahlung ihren Ursprung hat. „Der umfangreiche Datensatz der Gruppe ermöglichte es uns, das Innenleben des Gammastrahlenausbruchs zu untersuchen. Es war, als würde man einen Gammastrahlenausbruch chirurgisch zerlegen und in seinen inneren Mechanismus blicken: Man untersuchte die sich bewegenden Teilchen, ihre Energieniveaus, die Dichte des umgebenden Mediums und die Eigenschaften der beteiligten Magnetfelder“, erklärte der Wissenschaftler.

Die Autoren der Studie kamen zu dem Schluss, dass das während eines Gammastrahlenausbruchs beobachtete Leuchtphänomen auf der Bewegung hochenergetischer geladener Teilchen beruht, deren Geschwindigkeiten von der Lichtgeschwindigkeit kaum zu unterscheiden sind, in einem verdünnten Medium, das durch ein starkes Magnetfeld gekennzeichnet ist.

„Gammastrahlenausbrüche sind wie Leuchtfeuer aus dem frühen Universum. Wir zeichnen diese Phänomene in Entfernungen von mehreren Milliarden Lichtjahren auf. Diese seltenen Quellen bieten uns die Möglichkeit, mehr über die Funktionsweise von Sternen vor Milliarden von Jahren und das Ende ihrer Existenz zu erfahren und die interstellare Umgebung, die sie umgab, zu erforschen, beispielsweise die Zusammensetzung und Menge des interstellaren Gases und wie es mit dem interstellaren Gas interagierte Sternauswurf“, erklärt Biryukov.

Aber die Untersuchung von Gammastrahlenausbrüchen erweitert nicht nur unser Wissen über die massereichsten entfernten Sterne. Aus fundamentaler physikalischer Sicht dienen Gammastrahlenausbrüche als natürliche physikalische Laboratorien, die die extremsten Bedingungen manifestieren, die man sich vorstellen kann, darunter ultrahohe Energien, Geschwindigkeiten, Dichten und Gravitationskräfte. In diesen Staaten können Wissenschaftler die physikalischen Theorien testen, die der Menschheit zur Verfügung stehen.

„Physiker sind sich bewusst, dass die bestehenden grundlegenden Theorien zur Beschreibung der Welt, wie etwa die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik, ihre inhärenten Grenzen ihrer Anwendbarkeit haben. Diese Grenzen können nur experimentell bestimmt werden, und ein Gammastrahlenausbruch dient als natürliches Experiment. Allerdings ist es keine leichte Aufgabe, diese Grenzen zu erkennen. Kontinuierliche Beobachtungen und das Bemühen, möglichst viele ähnliche Ereignisse umfassend zu beschreiben, sind entscheidend für die Sammlung ausreichender Informationen. Aber dieses Streben passt gut zum natürlichen Fortschritt wissenschaftlicher Erkenntnisse“, behauptet Andrey Biryukov.

Referenz: „Außergewöhnlich helle optische Emission eines seltenen und entfernten Gammastrahlenausbruchs“ von Gor Oganesyan, Sergey Karpov, Om Sharan Salafia, Martin Jelínek, Gregory Beskin, Samuele Ronchini, Biswajit Banerjee, Marica Branchesi, Jan Štrobl, Cyril Polášek, René Hudec, Eugeny Ivanov, Elena Katkova, Alexey Perkov, Anton Biryukov, Nadezhda Lyapsina, Vyacheslav Sasyuk, Martin Mašek, Petr Janeček, Jan Ebr, Jakub Juryšek, Ronan Cunniffe und Michael Prouza, 11. Mai 2023, Nature Astronomy.DOI: 10.1038/s41550 -023-01972-4