Das hellste Gamma

Der Tod eines massereichen Sterns weit am anderen Ende des Universums wirkte sich auf die Blitze auf unserem Planeten aus und könnte uns etwas über die Milchstraße verraten

Anfang Oktober 2022 fegte eine Welle hochenergetischer Strahlung infolge eines Gammastrahlenausbruchs über die Erde, eines der einzigartigsten katastrophalen und heftigen Ereignisse, die der Kosmos zu bieten hat. Astronomen ermittelten schnell seine Entfernung und stellten fest, dass es sich um den nächstgelegenen Ausbruch dieser Art handelte, der jemals gesehen wurde: nur zwei Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Oder, wenn Sie es vorziehen, 20 Milliarden Billionen Kilometer von uns entfernt, ein ordentlicher Bruchteil der Größe des beobachtbaren Universums.

Für Astronomen bedeutet „nah“ etwas anderes. Dieser war kosmisch gesehen so nah, dass er von einer Flotte von Observatorien sowohl auf als auch über der Erde entdeckt wurde, und er birgt bereits einen Schatz an wissenschaftlichen Schätzen. Aber selbst aus dieser für Menschen gemessenen immensen Entfernung war es das hellste Ereignis dieser Art, das jemals im Röntgen- und Gammastrahlenbereich beobachtet wurde, hell genug, dass Menschen seine Emission sichtbaren Lichts in kleineren Amateurteleskopen erkennen konnten, und es war sogar in der Lage, uns physisch zu beeinflussen Obere Atmosphäre. Dennoch stellt dieser Gammastrahlenausbruch keine Gefahr für uns dar. Ich bin jedenfalls froh, dass sie Abstand halten.

Gammastrahlenausbrüche oder GRBs sind intensive Ausbrüche von Gammastrahlen – der energiereichsten Form von Licht –, die typischerweise zwischen dem Bruchteil einer Sekunde und einigen Minuten dauern. Gammastrahlenausbrüche stellen Astronomen seit dem Kalten Krieg vor ein Rätsel, als der erste in den 1960er Jahren von umlaufenden Detektoren entdeckt wurde, die nach Atomwaffen suchten, die auf oder über der Erde getestet wurden. Seitdem wurden mehr als 1.700 beobachtet. Dennoch dauerte es Jahrzehnte, bis man sie so gut am Himmel festhalten konnte, dass man sie mit konventionelleren Teleskopen beobachten und besser verstehen konnte, was sie waren. Schon damals war es schwierig, da jeder GRB Eigenheiten aufweist, was es schwierig macht, sie als Gruppe zu verstehen.

Dennoch haben wir ein gutes Verständnis für ihre grundlegende Natur. Kurzfristige Ausbrüche – im Allgemeinen höchstens einige Sekunden lang – entstehen durch die Kollision zweier superdichter Neutronensterne, die heftige Energie ausstoßen, wohingegen Langzeitausbrüche – die mehrere Minuten dauern – durch massereiche Sterne entstehen, die am Ende ihres Lebens explodieren. Der Kern des Sterns kollabiert und es entsteht ein Schwarzes Loch. Um sie herum bildet sich schnell eine wirbelnde Materialscheibe, die nicht sofort vom Schwarzen Loch verschluckt wurde, und lenkt zwei Strahlen intensiver Energie in den Weltraum, von denen einer nach oben und der andere nach unten zeigt, von der Scheibe weg. Diese fressen sich durch den sterbenden Stern und brechen nach außen aus, während der Rest des Sterns als sehr mächtige Supernova explodiert.

Die Energie in Gammastrahlenausbrüchen ist nahezu unfassbar: In wenigen Sekunden können sie so viel Energie abgeben wie die Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer von 12 Milliarden Jahren. Ihre Kraft kommt von ihrer starken Konzentration; Diese dünnen Strahlen konzentrieren die explosive Energie in einer sehr engen Richtung. Wenn der Strahl zufällig auf Sie gerichtet ist, sehen Sie einen Gammastrahlenblitz, der hell genug ist, um selbst aus vielen Milliarden Lichtjahren Entfernung erkannt zu werden. Außerhalb des Pfades sehen Sie eine typischere Supernova.

Trotz ihrer Stärke sind die meisten Ausbrüche so weit von uns entfernt, dass ihr Licht dramatisch geschwächt wird und man ein Teleskop benötigt, um sie überhaupt zu sehen.

Der erste Blitz mit der Bezeichnung GRB 221009A – nach dem ersten Gammastrahlenausbruch, der am 9. Oktober beobachtet wurde – wurde erstmals von Sensoren des umlaufenden Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops entdeckt, das speziell für die Erkennung und schnelle Lokalisierung von GRBs entwickelt wurde. Selbst für einen Langzeitausbruch war die Dauer ungewöhnlich groß. Eine weitere Explosion von Gammastrahlen wurde vom Neil Gehrels Swift Observatory entdeckt, einem weiteren umlaufenden Teleskopsatz zur Beobachtung von Ausbrüchen. Dieser zweite Höhepunkt ereignete sich fast eine Stunde später, viel später als bei solchen Ereignissen üblich, was zeigt, wie viel Energie diesem speziellen GRB zur Verfügung stand.

Swift schickte sofort eine automatische Warnung an Astronomen auf der ganzen Welt, die daraufhin ihre eigenen Teleskope auf den Ausbruch richteten. Das verblassende Leuchten des sichtbaren Lichts, das durch die Strahlen verursacht wurde, die auf die Materie rund um den sterbenden Stern prallten, verriet über die kosmische Rotverschiebung (eine Rötung des Lichts, die durch die Expansion des Universums selbst verursacht wurde) seine Entfernung und deutete darauf hin, dass es sich um den nächstgelegenen GRB handelte, der jemals gesehen wurde.

Ein Tweet des Astrophysikers Rami Mandow wies darauf hin, dass Blitzdetektoren in Indien und Deutschland zeigten, dass sich die Art und Weise, wie sich elektromagnetische Strahlungsimpulse von Blitzen ausbreiteten, plötzlich änderte, als die GRB-Energie unseren Planeten traf. Diese Impulse deuten darauf hin, dass sich die Bedingungen in der oberen Erdatmosphäre geändert haben und Elektronen plötzlich von ihren Wirtsatomen getrennt wurden. Gammastrahlen ionisieren auf diese Weise Atome, sodass es sehr wahrscheinlich ist, dass diese Explosion die Atmosphäre unseres Planeten physisch beeinflusst hat, wenn auch nur geringfügig und kurzzeitig. Dennoch ist das aus einer Entfernung von zwei Milliarden Lichtjahren ein außergewöhnliches Phänomen.

Ein GRB in dieser Nähe bedeutet, dass Astronomen das Licht, das sie von ihm sehen, auf mehr Arten als gewöhnlich analysieren können. Normalerweise ist das Licht eines Ausbruchs nicht hell genug, um Details über das Ereignis, das ihn verursacht hat, deutlich zu erkennen. Dieses Exemplar könnte Wissenschaftlern helfen, den zentralen Schwarzen-Loch-Motor, der sich während eines Ausbruchs bildet, und die außerordentlich komplexe Natur der ihn umgebenden Physik besser zu verstehen.

Es kann uns auch etwas über die Milchstraße verraten. Das Swift-Observatorium sah sich ausdehnende Ringe aus Röntgenlicht, die sich um den Standort des GRB konzentrierten und durch Staubwolken in der Milchstraße verursacht wurden, die etwa 600 bis 12.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Diese „Lichtechos“ entstehen, wenn Licht direkt außerhalb unserer Sichtlinie zum GRB auf Staubwolken trifft – wir sehen sie also seitlich neben dem hellen Punkt am Himmel. Aufgrund der kurzen zusätzlichen Zeit, die das Licht der Explosion benötigt, um diese Staubwolken zu erreichen und in unsere Richtung gestreut zu werden, sehen wir Lichtringe, die sich vom Zentrum nach außen bewegen, wobei ihre Expansionsrate von ihrer Entfernung von uns abhängt. Durch die Messung dieser Ringe konnten Astronomen die Entfernung zu den Wolken bestimmen.

Obwohl große Fortschritte erzielt wurden, insbesondere seit den 1990er Jahren, als die ersten Ausbrüche mit optischen Teleskopen beobachtet wurden und ihre Entfernungen im wahrsten Sinne des Wortes kosmisch waren, gibt es vieles über sie, das wir noch verstehen müssen. GRB 221009A wird immer noch von Teleskopen auf der ganzen Welt beobachtet und könnte sich als Rosetta-Stein für diese äußerst vielfältigen, bizarren und kraftvollen Ereignisse erweisen.“

Anmerkung des Herausgebers: Dies ist der erste Teil einer neuen monatlichen Kolumne des Astronomen und Schriftstellers Phil Plait. Plait ist ein ehemaliger Forscher des Hubble-Weltraumteleskops und hat zahlreiche Bücher und Artikel über den Weltraum geschrieben, unter anderem für ScientificAmerican.com

Phil Plait ist ein professioneller Astronom und Wissenschaftskommunikator in Colorado. Er schreibt den Bad Astronomy Newsletter. Folgen Sie ihm auf Twitter @BadAstronomer Credit: Nick Higgins

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