NASA beobachtet Gammastrahlenausbruch in beispiellosen Details

Am 27. April 2013 erregte der Lichtausbruch eines sterbenden Sterns in einer entfernten Galaxie die Aufmerksamkeit von Astronomen auf der ganzen Welt. Die Explosion, ein Gammastrahlenausbruch (gamma-ray burst, GRB) mit der Bezeichnung GRB 130427A, war eine der hellsten, die jemals beobachtet wurden. Drei NASA-Satelliten arbeiteten mit bodenbasierten, automatischen Teleskopen zusammen und fingen nie zuvor gesehene Einzelheiten ein, welche die aktuellen Theorien über den Ablauf von Gammastrahlenausbrüchen in Frage stellen.

„Wir gehen davon aus, ein Ereignis wie dieses nur einmal oder zweimal pro Jahrhundert zu sehen. Deshalb haben wir Glück, dass es stattfand, als uns mehrere geeignete, empfindliche Weltraumteleskope mit einander ergänzenden Fähigkeiten zur Verfügung standen, um es zu beobachten“, sagte Paul Hertz, Direktor der Astrophysics Division der NASA in Washington.

Gammastrahlenausbrüche sind die hellsten Explosionen im Universum und man vermutet, dass sie erzeugt werden, wenn der Kern eines massereichen Sterns seinen Brennstoff verbraucht hat und unter seinem eigenen Gewicht kollabiert, wobei ein Schwarzes Loch entsteht. Das Schwarze Loch treibt dann Teilchenjets an, die sich ihren Weg durch den kollabierenden Stern bohren und mit annähernd Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum schießen.

Gammastrahlen sind die energiereichste Form von Licht. Heiße Materie, die ein neues Schwarzes Loch umgibt, und innere Schockwellen, die durch Kollisionen innerhalb des Jets produziert werden, emittieren Gammastrahlen mit Energien im Bereich von Millionen Elektronenvolt (Megaelektronenvolt, MeV). Das ist etwa die 500.000-fache Energie von sichtbarem Licht. Die energiereichste Emission im Bereich von Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, GeV) entsteht vermutlich, wenn die Jets auf ihre Umgebung treffen und eine externe Schockwelle bilden.

Der Gamma-ray Burst Monitor (GBM) an Bord des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA registrierte die erste Welle Gammastrahlen von GRB 130427A kurz nach 03:47 Uhr Eastern Daylight Time am 27. April 2013. Allein schon während der ersten drei Sekunden war der „Monster-Ausbruch“ heller als fast jeder zuvor beobachtete Ausbruch. „Die spektakulären Ergebnisse des GBM an Bord von Fermi zeigen bedauerlicherweise, dass unser weitgehend akzeptiertes Bild der aus inneren Schockwellen entstehenden MeV-Gammastrahlen mangelhaft ist“, sagte Rob Preece, ein Fermi-Teammitglied von der University of Alabama in Huntsville und Leiter der GBM-Studie.

Allgemeine Animation eines Gammastrahlenausbruchs. (NASA / Goddard Space Flight Center)

Die Swift Gamma-ray Burst Mission der NASA registrierte den Ausbruch fast zeitgleich mit dem GBM und gab die Position schnell an bodenbasierte Observatorien weiter. Teleskope, die vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico als Teil des Rapid Telescopes for Optical Response (RAPTOR) Projekts betrieben werden, richteten sich rasch auf die Stelle aus. Sie registrierten einen optischen Blitz, der auf der astronomischen Helligkeitsskala die Magnitude Sieben erreichte und somit leicht durch ein Fernglas erkennbar gewesen wäre. Es war der zweithellste Blitz, der jemals bei einem Gammastrahlenausbruch beobachtet wurde.

Genau als der optische Blitz seine höchste Intensität erreichte, registrierte Fermis Large Area Telescope (LAT) eine Spitze der GeV-Gammastrahlen bei 95 GeV – das energiereichste Licht, das jemals bei einem Ausbruch beobachtet wurde. Dieser Zusammenhang zwischen dem sichtbaren Licht eines Ausbruchs und seinen hochenergetischen Gammastrahlen stellte die Annahmen in Frage. „Wir dachten, dass das sichtbare Licht dieser Blitze von inneren Schockwellen stammt, aber dieser Ausbruch zeigt, dass es von der externen Schockwelle kommen muss, welche die energiereichsten Gammastrahlen produziert“, sagte Sylvia Zhu, ein Fermi-Teammitglied von der University of Maryland in College Park.

Das LAT beobachtete GRB 130427A etwa 20 Stunden lang, viel länger als jeden bisherigen Ausbruch. Für einen Gammastrahlenausbruch war er relativ nah: Sein Licht reiste 3,8 Milliarden Jahre, bevor es die Erde erreichte – das entspricht ungefähr einem Drittel der Lichtreisezeit von typischen Ausbrüchen. „Detaillierte Beobachtungen durch Swift und bodenbasierte Teleskope zeigen deutlich, dass GRB 130427A Eigenschaften besitzt, die eher mit normalen, entfernten Ausbrüchen vergleichbar sind als mit nahen Ausbrüchen“, sagte Gianpiero Tagliaferri, ein Swift-Teammitglied vom Brera Observatory in Merate (Italien).

Erzeugung von energiereichen Gammastrahlen durch kollidierende Schockwellen. (NASA / Goddard Space Flight Center)

Dieses außergewöhnliche Ereignis ermöglichte dem neuesten NASA-Röntgenobservatorium, dem Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), zum ersten Mal das Nachglühen eines Ausbruchs in energiereichen oder „harten“ Röntgenstrahlen nachzuweisen, nachdem mehr als ein Tag vergangen war. Zusammen mit den LAT-Daten von Fermi fordern diese Beobachtungen lang bestehende Vorhersagen heraus.

Der Gammastrahlenausbruch GRB 130427A ist das Thema von fünf Abhandlungen, die am 21. November 2013 online veröffentlicht wurden. Vier davon, erschienen in Science Express, stellen Beiträge von Fermi, Swift und RAPTOR in den Vordergrund. Die NuSTAR-Studie wird in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA ist eine internationale und agenturübergreifende Partnerschaft von Astro- und Teilchenphysik. Es wird vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) geleitet und vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Goddard Space Flight Center leitet auch die Swift-Mission der NASA, die in Zusammenarbeit mit der Pennsylvania State University in University Park (Pennsylvania) und internationalen Partnern betrieben wird. Die NuSTAR-Mission der NASA wird vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena geleitet und vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) mit Beiträgen von internationalen Partnern betrieben.

Quelle: http://www.nasa.gov/content/goddard/nasa-sees-watershed-cosmic-blast-in-unique-detail/index.html

(THK)