Enorme Energien: Astronomen haben die zwei bisher stärksten Gammastrahlenausbrüche beobachtet. Selbst nach dem Höhepunkt der Gammablitze erreichte die Strahlung noch bis zu einem Teraelektronenvolt – das ist weit mehr als je zuvor beobachtet. Das Spannende daran: Diese Strahlung könnte der erste Beleg für einen bisher nur theoretisch postulierten Erzeugungsprozess sein, wie die Forscher in gleich drei „Nature“-Fachartikeln berichten.
Gammastrahlenausbrüche (GRB) gehören zu den hellsten und energiereichsten Phänomenen des Kosmos – einige sind sogar mit bloßem Auge am Himmel sichtbar. Innerhalb weniger Sekunden setzen sie so viel Strahlung frei wie die Sonne in ihrer gesamten Lebenszeit. Gängiger Theorie nach entstehen diese kurzen, aber heftigen Gammablitze durch Supernovae massereicher Sterne oder durch kollidierende Neutronensterne. Was genau bei diesen extremen Explosionen abläuft und wie stark ein Gammastrahlenausbruch maximal werden kann, ist allerdings erst in Teilen geklärt.
Zwei Blitze der Extraklasse
Jetzt haben Astronomen zwei Gammastrahlenausbrüche eingefangen, die in gleich mehrerer Hinsicht außergewöhnlich sind. In beiden Fällen registrierten die NASA-Satelliten Swift und Fermi als erste die Gammablitze und sendeten dann automatisierte Alarmmeldungen an weitere Observatorien, darunter auch die Teleskope H.E.S.S. in Namibia und MAGIC auf der Kanareninsel La Palma. Diese detektieren das schwache Cherenkov-Licht, das bei der Absorption starker Gammastrahlen in der Atmosphäre entsteht.
Der stärkste der beiden Gammablitze wurde am 14. Januar 2019 gegen 22:00 Uhr unserer Zeit detektiert und konnte schon 57 Sekunden danach von den MAGIC-Teleskopen auf den Kanaren ins Visier genommen werden. Wenig später nahmen auch 20 weitere Teleskope die Beobachtungen auf. Dadurch konnten die Astronomen die Energie und Entwicklung dieses GRB 190114C getauften Gammastrahlenausbruchs fast von Beginn an und in allen Wellenbereichen mitverfolgen.
Der zweite Ausbruch ereignete sich bereits am 20. Juli 2018 gegen 15:20 Uhr unserer Zeit. Rund zehn Stunden später konnte das 28 Meter große H.E.S.S.-Teleskop das Nachleuchten des GRB 180720B getauften Blitzes verfolgen. Das Besondere daran: Es ist das erste Mal, dass erdbasierte Teleskope das Signal eines Gammastrahlenausbruchs einfangen.
Extrem stark und ungewöhnlich spät
Außergewöhnlich auch: Beide Gammastrahlenausbrüche waren weit stärker als alle zuvor beobachteten. Bei GRB 190114C erreichten die Gammastrahlen eine Energie von 200 bis 1.000 Milliarden Elektronenvolt (0,2 bis 1 Teraelektronenvolt). „Dies sind bei weitem die höchstenergetischen Photonen, die jemals von einem Gamma-Ray Burst entdeckt worden sind“, sagt Elisa Bernardini vom Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) und der MAGIC-Kollaboration.
Bei GRB 18072 erreichte die Gammastrahlung Energiebereiche von 100 bis 400 Milliarden Elektronenvolt – auch dies deutlich mehr als bislang beobachtet. Und nicht nur das: Diese extrem hohen Werte ermittelten die Astronomen nicht etwa auf dem Höhepunkt des Ausbruchs, sondern zehn Stunden später. „Zu dieser Zeit hat der Strahlenfluss schon um vier Größenordnungen abgenommen“, betonen die Forscher der H.E.S.S.-Kollaboration. Ungewöhnlich ist dies auch deshalb, weil die Gammastrahlen typischerweise schon nach wenigen Minuten abflauen und das Nachglühen dann in Strahlung längerer Wellenlänge übergeht.
Zusatzschub durch Teilchen-Kollisionen?
Damit werfen die beiden Rekord-Gammablitze ein ganz neues Licht auf die Vorgänge bei einem Gammastrahlenausbruch. Denn bisher gingen Astronomen davon aus, dass der Löwenanteil der Gammastrahlung dabei durch Synchrotronstrahlung erzeugt wird – die Strahlung, die Elektronen abgeben, wenn sie in starken Magnetfeldern auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Dies kann beispielsweise in der Schockwelle einer Supernova geschehen.
Doch die Strahlenenergie von GRB 190114C und GRB 180720B ist für diesen Erklärungsansatz zu hoch. Die Forscher vermuten daher, dass neben der Synchrotronstrahlung ein zweiter Prozess am Werk gewesen sein muss: der sogenannte inverse Compton-Effekt. Bei diesem werden Elektronen zunächst stark beschleunigt und erzeugen Synchrotronstrahlung. Im nächsten Schritt geben die Elektronen durch Kollisionen jedoch weitere Energie an die Photonen ab. Diese bekommen dadurch einen zusätzlichen „Schub“ und können so Energien im Teraelektronenvoltbereich erreichen.
Erster Beleg für inversen Compton-Effekt
Dieser „Zusatzschub“ durch den inversen Compton-Effekt wurde bisher nur theoretisch postuliert. Jetzt könnten die beiden neuen Gammablitze den lange gesuchten Beleg für den Prozess liefern. Als ein Indiz dafür sehen die Astronomen unter anderem eine „Delle“ im Verlauf der Gammastrahlenkurven, die auf das Einsetzen dieses Effekts hindeuten.
„Diese Beobachtung liefert uns den ersten unzweifelhaften Beweis für eine neue Emissionskomponente jenseits der Synchrotronen-Emission im Nachglühen eines Gammastrahlenausbruchs“, konstatieren die Forscher der MAGIC-Kollaboration. Damit zeigen die neuen Beobachtungen nicht nur, dass Gammablitze noch energiereicher sein können als zuvor gedacht, sie geben auch wertvolle Einblicke in die Mechanismen hinter diesen kosmischen Phänomenen. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1754-6; doi: 10.1038/s41586-019-1750-x; doi: 10.1038/s41586-019-1743-9)
Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Max-Planck-Institut für Physik
