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Weltraum-Geheimnis gelöst: So wird Gammastrahlung freigesetzt

Gammastrahlung im Weltraum entsteht durch die Kollision zweier Sterne.
Gammastrahlung im Weltraum entsteht durch die Kollision zweier Sterne.
Foto: imago images/StockTrek Images
Die Ausbrüche von Gammastrahlung sind die energiereichsten Explosionen im Weltraum. Das ist zumindest die bisherige Vermutung gewesen. Nun konnten Forscher diesem Rätsel auf den Grund gehen.

Innerhalb von wenigen Sekunden setzt der Ausbruch von Gammastrahlung so viel Energie frei wie unsere Sonne während ihrer ganzen Existenz. Bedenkt man, dass die Sonne schon etwa zehn Milliarden Jahre existiert, ist das verhältnismäßig viel Energie, die durch einen Gammablitz freigesetzt wird. Diese Explosionen im Weltraum ereignen sich oftmals durch die Kollision von Neutronensternen. Je länger die Explosion andauert, desto größer waren die Sterne. Doch wie entstehen solche langen Ausbrüche? Diese Frage konnten Forscher nun beantworten.

Gammastrahlung wird durch Sternenkollisionen freigesetzt

Eine Frage, die schon seit 15 Jahren Astrophysiker beschäftigt, konnte nun endlich geklärt werden. Gammablitz, in Englischen "gamma-ray burst" (GRB) wurden in den 60er Jahren von Satelliten entdeckt. Heutzutage sind Ausbrüche von Gammastrahlung etwas, das täglich registriert wird. Dadurch werden Lichtteilchen auf Rekordenergie beschleunigt.

Die Gammastrahlung ist so stark, dass sie auch aus einer Entfernung von Milliarden Lichtjahren gemessen werden können. Bei einer solchen Explosion im Weltraum wird die Energie in Strahlen gebündelt. Richten die sich auf die Erde, können wir diese auch messen. Ansonsten entgehen uns die Gammastrahlen-Ausbrüche.

Faszination Universum und die Geheimnisse, die es für uns bereit hält
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Gammablitz im Januar überrascht Forscher

Am 14. Januar 2019 konnte ein neuer Ausbruch im Sternbild Fornax beobachtet werden. Der anfängliche Gammablitz verblasste nach weniger als einer Minute. Doch GRB190114C zeigte ein Nachleuchten, das länger sichtbar war. Dieses Nachleuchten kann Minuten, Stunden oder sogar Tage andauern. Sechs Satelliten und 15 Observatorien hatten das Glühen des Gammablitzes GRB190114C im Visier.

Das Teleskopduo MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescopes) auf der Kanarischen Insel La Palma ist auf besonders energiereiche Gammastrahlung spezialisiert. Sie hatten den Gammablitz GRB190114C nach wenigen Sekunden im Blick. Insgesamt 20 Minuten lang konnte dessen Gammastrahlung registriert werden.

Dabei verwendete MAGIC die Erdatmosphäre als Detektor. Wird ein Gammaphoton in der Atmosphäre absorbiert, entstehen kurze Lichtblitze. Sie sind mit dem menschlichen Auge nicht zu sehen. Die Teleskope konnten aber die Eigenschaften der Gammalichtteilchen rekonstruieren.

Wie entstehen Gammastrahlung und Gammablitze?

Bislang kam es folgende Belege: Freie Elektronen bewegen sich auf gekrümmten Bahnen durch Magnetfelder. Das nennt sich Synchrotronstrahlung und wurde zunächst an kreisrunden Teilchenbeschleunigern entdeckt. Doch dafür gibt es auch eine Grenze, da Elektronen nur eine begrenzte Geschwindigkeit besitzen, um Lichtteilchen mit höherer Energie zu produzieren.

Dafür gibt es einer alternative Erklärung: Das Synchrotron-Selbst-Compton-Modell (SSC). Nach dem SSC-Modell müssten das Nachleuchten eines Gammablitzes eine Doppelhöckerstruktur aufweisen. Neben ernergiearmen Teilchen müsste es auch angeschubste Lichtteilchen geben. In der Vergangenheit gab es schon Hinweise auf die Doppelhöckerstruktur. Die Sichtung von GRB190114C liefern nun den Beleg. Der SSC-Prozess spielt eine ausschlaggebende Rolle.

Nicht die einzige Beobachtung einer Explosion

Im Sternenbild Fische wurden im Juli 2018 eine ähnliche Entwicklung eines Gammablitzes entdeckt. Daher gehen Forscher davon aus, dass diese Beobachtungen von Gammastrahlung keine Einzelfälle sind. Wir können sie auf der Erde nur nicht immer nachweisen. Dafür müssen einige Voraussetzungen gegeben sein:

  • ein klarer und dunkler Himmel
  • das Teleskop muss auf die richtige Stelle gerichtet sein
  • der Blitz muss verhältnismäßig hell sein
  • der Ausbruch muss relativ nah der Erde sein

Im Fall von GRB190114C heißt nah, dass das Licht rund 4,5 Milliarden Jahre von der Erde entfernt war. Zu dieser Zeit entstand unser Sonnensystem gerade erst. Finden solche Explosionen im Weltraum weiter weg statt, können wir sie nicht erkennen. Das Universum ist von einem Nebel aus Infrarotstrahlung durchzogen, die Gammablitze abschwächt. Deshalb haben Wissenschaftler auch so lange gebraucht, um die Entstehung von Gammablitzen zu erklären.

Gammablitze werden nicht nur im Zusammenhang mit Sternenkollisionen beobachtet. Bei diesem Ereignis machten Sonne und Mond die NASA plötzlich nervös. Auch der Krebsnebel hämmert auf die Erde ein und zwar mit energiereichen Gammstrahlen.

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