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Gammastrahlenausbruch gibt Rätsel auf

Kosmische Explosion passt zu keiner gängigen Ursache und Kategorie

Gammastrahlenausbruch
Astronomen haben einen Gammastrahlenausbruch detektiert, der in keine der beiden gängigen Klassen passt. © NOIRLab

Mysteriöser Ursprung: Astronomen haben eine kosmische Strahleneruption beobachtet, die sich gängigen Erklärungen entzieht. Denn dieser Gammastrahlenausbruch zeigte zwar ähnliche Merkmale wie eine Kilonova – eine von der Kollision von Neutronensternen erzeugte Explosion. Der intensive Gammastrahlenschub war aber für ein solches Ereignis viel zu lang. Doch auch zu einer Supernova und den dafür typischen langen Gammastrahlenausbrüchen passte das Ereignis nicht, wie die Forschenden in „Nature“ berichten. Dies wirft Fragen zur Ursache dieser kosmischen Explosion auf.

Gammastrahlenausbrüche (GRB) gehören zu den hellsten und energiereichsten Phänomenen des Kosmos. Ihre energiereiche Strahlung reicht Milliarden Lichtjahre weit. Nach gängiger Theorie gibt es zwei Klassen solcher Megaexplosionen: Lange Gammastrahlenausbrüche halten länger als zwei Sekunden an und werden meist von der Supernova massereicher Sterne verursacht. Kurze Gammablitze von weniger als zwei Sekunden Dauer entstehen dagegen vermutlich bei der Verschmelzung von Neutronensternen. Soweit das klassische Bild.

Doch inzwischen haben Astronomen einige Gammastrahlenausbrüche beobachtet, die nicht in das einfache Zwei-Klassen-Schema passen. Im Jahr 2020 detektierten sie beispielsweise einen Ausbruch, der zwar kurz war, dessen Nachglühen aber Merkmale einer Supernova zeigte. 2006 ereignete sich dagegen ein Gammastrahlenausbruch, der zwar lang anhielt, bei dem es aber keine Spur einer Sternexplosion gab.

Nachglühen
Diese Aufnahme zeigt das Nachglühen des Gammastrahlenausbruchs GRB 211211A im Infrarotlicht und seine Lage im Außenbereich einer Galaxie.© International Gemini Observatory/NOIRLab, NSF/AURA/M. Zamani; NASA/ESA

Langer Gammastrahlenausbruch…

Jetzt haben Astronomen einen weiteren dieser rätselhaften „Ausreißer“ identifiziert. Entdeckt wurde der Gammastrahlenausbruch GRB 211211A am 11. Dezember 2021 von gleich mehreren Gammastrahlenobservatorien, darunter das Fermi- und das Swift-Weltraumteleskop der NASA. Die intensive Gammastrahlung des Ereignisses hielt 55 Sekunden lang an – auf den ersten Blick handelte es sich damit klar um einen Vertreter der langen Gammastrahlenausbrüche.

Innerhalb von Minuten visierten auch Teleskope in anderen Wellenbereichen der elektromagnetischen Strahlung die Quelle dieser Gammastrahlen an und fingen das Nachleuchten vom Röntgen- bis in den Radiobereich ein. Diese Beobachtungen zeigten, dass die Quelle dieser Strahlung in einer rund eine Milliarde Lichtjahre entfernten Galaxie lag. „Damit ist GRB 211211A einer der nächstgelegenen langen Gammastrahlenausbrüche, die je beobachtet worden sind“, berichten Eleonora Troja von der Universität Rom und ihre Kollegen.

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…aber „unpassende“ Eigenheiten

Doch als Trojas Team und drei weitere Astronomengruppen damit begannen, die Lichtkurven dieses Ereignisses auszuwerten, zeigte sich Überaschendes: Trotz seiner Länge passte GRB 211211A nicht zum gängigen Profil eines langen Gammastrahlenausbruchs. „Dieses Ereignis ist anders als jeder andere zuvor gesehene lange Gammastrahlenausbruch“, erklärt Jillian Rastinejad von der Northwestern University in den USA.

Stattdessen zeigte diese kosmische Explosion trotz ihrer Länge bemerkenswerte Parallelen zu den kurzen Gammastrahlenausbrüchen: Ähnlich wie bei diesen lag der Ursprungsort der Strahlung nicht in dem dicht mit Sternen bevölkerten und von aktiver Sternbildung geprägten Zentrum der Galaxie, sondern an ihrem Außenrand – dort, wo die meisten massereichen Sterne längst zu Neutronensternen und Schwarzen Löchern geworden sind.

Zwischen den gängigen Kategorien

Merkwürdig auch: In optischen Aufnahmen dieser Region zeigte sich keine Spur einer Supernova oder eines massereichen Vorgängersterns, wie die Astronomen berichten. „Der Ursprungsort des GRB und die Eigenschaften seiner Wirtsgalaxie liefern damit indirekte Belege dafür, dass dieses Ereignis auf einen anderen Urheber zurückgehen muss als einen kollabierenden massereichen Stern“, konstatieren Troja und ihre Kollegen.

Neutronensternkollision
Die Verschmelzung von Neutronensternen kann gängiger Abnahme nach nur kurze Gammastrahlenausbrüche verursachen – oder doch nicht?.© NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

Hinzu kommt: Im Nachglühen des Ausbruchs wiesen die Forschungsteams einen auffälligen Überschuss an Nahinfrarotstrahlung im Verhältnis zum sichtbaren Licht nach. Dies jedoch gilt als typisch für eine Kilonova – eine Explosion durch die Kollision von zwei Neutronensternen. Denn dabei absorbieren die von der Kilonova freigesetzten schweren Elemente Teile des sichtbaren Lichts und erzeugen so das Ungleichgewicht.

GRB 211211A ist damit ein echter Sonderfall: Der Ausbruch zeigt viele Merkmale eines kurzen Gammastrahlenausbruchs, ist aber gleichzeitig zu lang, um von zwei kollidierenden Neutronenstern zu stammen. Denn diese besitzen gängiger Annahme nach zu wenig Masse und Material, um länger andauernde Ausbrüche zu erzeugen.

Kilonova, Magnetar oder hybride Kollision?

Was aber könnte die Ursache dieses hybriden Gammastrahlenausbruchs gewesen sein? In dieser Frage sind sich die Astronomen nicht einig. Die Teams um Troja und Rastinejad kommen unabhängig voneinander zu dem Schluss, dass es sich bei GRB 211211A trotzdem um eine Kilonova gehandelt haben muss – die Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder einem Neutronenstern mit einem Schwarzen Loch. Dabei könnte ein besonders starker Jet aus stark beschleunigten Teilchen entstanden sein, der die länger anhaltende Strahlung erklärt.

Ein Team um Bin-Bin Zhang von der Nanjing Universität in China sieht dagegen die Kollision eines stark magnetisierten Neutronensterns mit einem Weißen Zwerg als Ursache. Bei einer solchen Verschmelzung würde der leichtere Weiße Zwerg zerrissen und es entstünde eine große Akkretionsscheibe aus schnell rotierendem Plasma. Dieses Material, kombiniert mit den starken Magnetfeldern des Magnetars, könnte erklären, warum die Gammastrahlung so ungewöhnlich lang anhielt, so die Astronomen. Die Beteiligung eines solchen Proto-Magnetars halten auch andere Forscher für möglich.

War trotz der langen Dauer eine Neutronensternkollision die Ursache?© NOIRLab

Gravitationswellen könnten mehr Klarheit bringen

Bisher lässt sich allerdings keine dieser Hypothesen eindeutig bestätigen oder widerlegen – auch weil ein entscheidendes Instrument fehlte: Wenn GRB 211211A tatsächlich auf die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder ähnlich kompakter Objekte zurückging, hätte dies Gravitationswellen freisetzen müssen. Doch von den irdischen Gravitationswellendetektoren war zum Zeitpunkt des Ereignisses keines in Betrieb. Es bleibt daher unbekannt, ob der Ausbruch die Raumzeit erschütterte.

Den Astronomen bleibt nun nur die Hoffnung, dass LIGO, Virgo und Co beim nächsten Rätselausbruch dieser Art parat stehen. Die inzwischen auf noch größere Empfindlichkeit aufgerüsteten Gravitationswellendetektoren sollen in ihrer nächsten Laufzeit ab 2023 jedenfalls sensitiv genug sein, um die Signale von Dutzenden Neutronensternkollisionen zu detektieren. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05327-3; doi: 10.1038/s41586-022-05390-w; doi: 10.1038/s41586-022-05403-8; doi: 10.1038/s41550-022-01819-4)

Quelle: Nature, Northwestern University, NOIRLab

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