Explosionen im Universum
Astronomen lösen Rätsel der dunklen Gammablitze
Foto: Eso Video: SPIEGEL ONLINE
Es sind die heftigsten Ausbrüche des Universums: Gammablitze, die in wenigen Sekunden mehr Energie freisetzen als unsere Sonne während ihrer gesamten Existenz. Dennoch erzeugen einige dieser gigantischen Explosionen nur ein erstaunlich schwach sichtbares Glimmen. Forscher wissen jetzt, warum.
Manche Gammablitze, die gewaltigsten Eruptionen des Universums, stellten Forscher vor ein Rätsel: Von einer Explosion dieses Ausmaßes erwartet man eigentlich, dass sie jede Menge an Energie freisetzt - auch im sichtbaren Lichtbereich. In der Tat senden Gammablitze innerhalb weniger Sekunden so viel Energie aus, wie unsere Sonne in ihrer gesamten bisherigen Existenz von knapp fünf Milliarden Jahren. Doch im sichtbaren Licht betrachtet, enttäuschen viele der Explosionen: Sie glimmen nur schwach. Forscher sprechen dann von "dunklen" Gammastrahlenausbrüchen.
Bisher konnten sich Astronomen nicht erklären, warum nur etwa bei der Hälfte der "Gamma-Ray Bursts" (GRB), wie sie im Englischen genannt werden, sichtbares Licht beobachtet werden kann. Jetzt haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching bei München eine verblüffend einfache Erklärung dafür gefunden: Wie Jochen Greiner und seine Kollegen im Fachmagazin "Astronomy & Astrophysics" schreiben, scheint kosmischer Staub das größte Problem zu sein.
Im Röntgenbereich weisen alle Gammastrahlenausbrüche ein Nachglühen auf, nicht aber im sichtbaren Spektralbereich. Einige Wissenschaftler hatten die Vermutung, das optisch dunkle Nachglühen könne ein Anzeichen für die Existenz einer ganz neuen Art von Gamma-Ray Bursts sein. Andere Forscher gingen davon aus, dass die dunklen GRBs in extrem großer Entfernung stattfänden.
Einige Analysen hatten bereits den Verdacht geweckt, dass kosmischer Staub, der sich zwischen dem Ort des Ausbruchs und der Erde befindet, das Nachglühen möglicherweise abschwächen könnte. Doch erst der Blick durch ein Teleskop auf dem Berg La Silla in Chile führte dazu, dass die Forscher das Rätsel des optisch kaum sichtbaren Nachglühens lösen konnten.
"Die Untersuchung des Nachglühens eines Gammastrahlenausbruchs liefert entscheidende Hinweise darauf, was für ein Objekt dort explodiert ist - zum Beispiel ein sehr massereicher Stern. Das ermöglicht es uns, Zusammenhänge zwischen den Ausbrüchen und der Sternentstehung im frühen Universum zu erforschen", sagt Greiner, der die Studie geleitet hat. Nach Angaben der Forscher ist es die bisher umfangreichste Untersuchung solcher Ereignisse.
Satellit "Swift" erspäht die Ausbrüche
Ende 2004 wurde der Nasa-Satellit "Swift" gestartet. Von seiner Umlaufbahn oberhalb der Erdatmosphäre aus kann er Gammastrahlenausbrüche direkt nachweisen. Sobald ein Ausbruch festgestellt ist, übermittelt der Satellit dessen Position am Himmel sofort an andere Teleskope. Diese halten dann sogleich Ausschau nach dem Nachglühen des GRBs.
Für die jetzt veröffentlichte Studie haben Astronomen die Daten von "Swift" mit Beobachtungen des sogenannten Grond-Instruments verknüpft, das speziell für die Beobachtung des Nachglühens von GRB entwickelt wurde. Grond ist in der Lage, in einer Art schnellem Reaktionsmodus innerhalb von wenigen Minuten nach Entdeckung der Explosion durch "Swift", mit den Beobachtungen beginnen zu können - und zwar in weiten Teilen des elektromagnetischen Spektrums, vom sichtbaren bis hin zum Nahinfrarotbereich.
Aus den umfassenden Messungen konnten die Forscher die Menge an Staub bestimmen, die das Licht auf dem Weg zur Erde durchlaufen hat und die das Nachglühen abschwächt. Bei früheren Untersuchungen hatten die Astronomen den Einfluss des Staubes immer nur grob abschätzen können. Die neuen Daten aber zeigten, dass sich das Nachglühen bei einem großen Anteil durch den kosmischen Staub auf etwa 60 bis 80 Prozent der ursprünglichen Helligkeit abgeschwächt.
Aber auch ein anderer Effekt führte zur Abschwächung, die sogenannte kosmologische Rotverschiebung sehr ferner Ausbrüche. Insgesamt erreichen einen Beobachter auf der Erde damit nur noch 30 bis 50 Prozent des sichtbaren Lichts. Die Schlussfolgerung der Astronomen: Die meisten der optisch dunklen Gammastrahlenausbrüche sind gerade diejenigen Ereignisse, bei denen das Nachglühen im sichtbaren Licht komplett vom Staub verschluckt wurde, bevor es uns erreichen konnte.
cib
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NASA-Illustration eines Gammablitzes
NASA-Swift-Satellit

 Astronomen fragten sich seit einigen Jahren, warum eigentlich so wenig Licht von den so energiereichen Gammablitzen auf der Erde ankommt. Zur Erklärung dieser so genannten „dunklen“ Gammastrahlenausbrüche gibt es eine einfach klingende Erklärung: Interstellarer Staub dimmt das Licht dieser Energieausbrüche. Das fanden jetzt Astronomen des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik in Garching bei München heraus.

Diese Gammablitze strahlen mehr Energie ab als irgendein anderes astronomisches Phänomen seit dem großen Knall, der zur Entstehung des heute bekannten Universums führte. Solche Gammastrahlenausbrüche (englisch: Gamma-Ray Bursts (GRBs)) teilen die Wissenschaftler in zwei Gruppen ein. Die „kurzen Bursts“ dauern nur Bruchteile einer Sekunde, die „langen Bursts“ können bis zu mehreren Minuten dauern. Letztere gelten als Folgen oder Bestandteil gewaltiger Supernovaexplosionen, die am Ende des Lebens sehr massereicher und kurzlebiger Sterne stattfinden. Über die Ursachen der kurzen Bursts gibt es nur vage Vermutungen.

Allen GRBs ist gemeinsam, dass sie noch längere Zeit nach ihrem ersten Auftreten elektromagnetische Strahlung im Röntgenbereich aussenden, also sozusagen „nachglühen“. Merkwürdigerweise sendet aber nur ein Teil von ihnen sichtbares Licht aus. Die anderen bleiben dunkel. Zur Erklärung dieses Phänomens gab es verschiedene Erklärungsansätze, die aber nicht befriedigend waren.

Zur Erforschung des Phänomens startete die NASA am 20. November 2004 die Satellitenmission Swift. Der Satellit wurde in einer Umlaufbahn oberhalb der Erdatmosphäre positioniert, so dass Beobachtungsdaten gewonnen werden konnten, die nicht durch die Erdatmosphäre getrübt waren. Der Satellit reagierte unverzüglich auf eingehende Signale von Gammastrahlenausbrüchen und meldete die Daten an terrestrische Beobachtungsstationen. Die Teleskope am Boden stellten sich sofort auf die übermittelten Koordinaten ein und erhoben Daten des Nachglühens im Röntgenbereich.

Die Garchinger Wissenschaftler kombinierten diese Daten von Swift mit den Beobachtungen, die das GROND (Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector) genannte Instrument aufzeichnete. GROND wurde speziell für die Beobachtung des Nachglühens von Gamma-Ray Bursts entwickelt und ist Bestandteil des MPG/ESO 2,2 Meter-Teleskops auf La Silla in Chile, das zur Europäischen Südsternwarte gehört. Im Rahmen der Studie konnte so das als „Nachglühen“ bezeichnete Phänomen der Gammastrahlenexplosionen über weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums vermessen werden. Daraus ließ sich auch die Staubmenge kalkulieren, die zwischen dem Ursprung der Strahlung und ihrer Ankunft auf der Erde vorhanden war. Mit Hilfe weiterer Beobachtungen, unter anderem durch das Very Large Telescope der ESO, gelang es dann auch die Entfernungen der Bursts näher zu bestimmen.

Ergebnis der Studie ist, dass zirka 20–30 Prozent der ursprünglichen Helligkeit der GRBs aufgrund von interstellarem Staub verloren geht. Eine weitere Abschwächung der Lichtintensität der GRBs kommt durch die so genannte kosmologische Rotverschiebung zustande. Die Kombination dieser Faktoren kann nach Ansicht der Wissenschaftler das Phänomen der „dunklen Gammastrahlenausbrüche“ vollständig erklären.