Gammablitz aus der kosmischen Nachbarschaft

Der Ursprung der hochenergetischen kosmischen Strahlung bleibt ein Rätsel modernen Hochenergie-Astrophysik. Auch wenn die Theorie Teilchenbeschleunigung in relativistischen Schocks von Gammastrahlenblitzen es nicht verbietet, so war bisherige theoretische Erwartung, dass diese Objekte Teilchen nur auf begrenzte Energien beschleunigen sollten. Die kürzlich mit dem Teleskopsystem H.E.S.S. gemachte Entdeckung Teraelektronenvolt-Gammastrahlung einem Gammastrahlenblitz Nachbarschaft stellt Überzeugung Frage. Modellierung gemessenen Gammastrahlung legt nahe, Gammablitze sehr viel effizientere Teilchenbeschleuniger sein könnten als gedacht. Unter Umständen sind Gammastrahlenausbrüche sogar bislang vergeblich gesuchten Quellen höchstenergetischen Strahlung. Sollte sich Hypothese bestärken, würde das bedeuten, etablierten Theorien eine gründliche Überarbeitung benötigen. Seit ihrer Urgeschichte haben Menschen den Nachthimmel ehrfürchtigem Staunen bewundert. Großteil des Nachthimmels unveränderlich erscheint, weiß man schon seit langer Zeit, einige hellsten temporär am Himmel aufleuchten. Das gilt insbesondere für Supernovae, nun auch neues Licht eines ungelösten Astrophysik werfen. Denn Strahlungsteilchen ist unbekannt. Können sterbende massive Sterne lang sein? Supernova-Explosionen erscheinen besonders helle Sterne, „Gast-Sterne“ bezeichnet wurden. Sie erlöschen Regel innerhalb einiger Monate. unscheinbare und sanfte Erleuchten Verglimmen verschleiert allerdings ihren gewaltsamen chaotischen Ursprung: Eine Kernkollaps-Supernova entsteht, massiver Stern seiner eigenen Anziehungskraft mehr standhalten kann, kollabiert Leben einer flammenden Explosion beendet. extremsten 1 % solche größten Massen schnellsten Rotationsgeschwindigkeiten Sternkerne, beenden ihr Supernova, sondern (Gamma-Ray Burst, GRB). Supernovae GRBs extrem Objekte, welche aber bei unterschiedlichen Wellenlängen aussenden. Während hauptsächlich Lichtteilchen etwa Elektronenvolt (eV) im optischen Spektrum abstrahlen, Photonen aus oft Million bis Milliarden Mal energiereicher. Vor etwas Jahrhundert tat völlig Fenster Universum auf, waren länger einzigen Botenteilchen All. Geladene Elementarteilchen wie Protonen oder schwere Atomkerne – sogenannte kosmische (Cosmic Rays, CRs) wurden entdeckt. Tatsächlich wurde noch lange gemutmaßt, CRs irdischen Ursprungs sein. Um dieser zu finden, Victor Franz Hess Jahr 1912 Reihe Ballonflügen aufgebrochen [1] (Phys. Unserer Zeit 2012, 43(4), 168). Mit jedem Flug, er Österreich heutigen Tschechischen Republik begann, erklomm immer größere Höhen, finalen wichtigsten Flug Höhe 5,3 km Nähe Schwielochsees Brandenburg erreichte. an Bord zwei Teilchendetektoren, um Ionisation damit Intensität Funktion Flughöhe messen. Wenn steigender abnimmt, müssen Obwohl zunächst circa Kilometern abnahm, kehrte dann Trend um, nahm stetig weiter zu. Durchbruch Bestätigung, ionisierende musste, was Physik-Nobelpreis 1936 einbrachte. Nach Zehntausenden Jahren, denen Menschheit elektromagnetische Signale Weltall kannte, gab zweite Art Botenteilchen. Eines Ursprung, höchsten Energien, erreichen können. vielen Jahrzehnten klar, thermischen Prozessen entstehen Sondern sie werden nichtthermischen, Explosionsereignissen erzeugt, Lage sind, einen Teil Explosionsenergie Beschleunigung umzuwandeln (Abbildung 1). Am anschaulichsten kann unserer Sonne regelmäßig auftretenden Sonnenstürmen beobachten. Vergleich Geschwindigkeiten freigesetzten kinetischen Energie Materieausflüsse Sterneruptionen, (1 erg = 10–7 J) (Bild: NASA/GSFC/SDO/ESO/L. Calçada//Sci. Comm. Lab, DESY). Ende Lebens massereicher schleudern sowohl aufleuchtenden kürzester enorme Mengen Sternmaterie ins Diese Materie kollidiert umgebenden Gas, zur Ausbildung starker Schockfronten führt. durch Schockwelle mitgerissen beschleunigt. Beschleuniger verlassen, gesellen Wolke existierenden CRs, gesamte Galaxie ausfüllen durchströmen. Dieses Gas energiereicher wirkt stark ionisierend wäre ernsthafte gesundheitliche Gefahr Astronautinnen Astronauten, Reise anderen Planeten unseres Sonnensystems machen. Hier Erde wir zum Glück vor meisten geschützt; absorbierende Wirkung Atmosphäre Erdmagnetfeldes, abschirmende heliosphärischen Magnetfeldes Sonne. Ära Untersuchung begann über 100 genauer allem 1020 eV Gegenstand intensiver Forschung. Welche Explosionsereignisse gewaltig genug, solch bringen? Sonnenstürme kommen dafür Frage, da hier „nur“ rund 1010 beschleunigt [2]. Von man, 1014 katapultieren können [3] dies weniger energiereich Bis welcher können, jedoch offene Im Laufe letzten hundert Jahre Astronomen nachweisen Immer genauere Messungen Satelliten bodengebundenen Teleskopen gezeigt, allen Phasen ihres eruptive durchleben, Auswurf gleichzeitiger verbunden sind. Dabei umspannen freigesetzte Geschwindigkeit, interstellare Medium geschleudert wird, viele Größenordnungen. Vergleicht Entwicklungsstufe menschlichen Leben, eher ruhigen mittleren Lebensphase. Geburt Sternen ganz gar ruhig: Ein wird unter kollabierenden Gaswolke geboren. bildet Akkretionsscheibe Protostern Zentrum. Dies geschieht häufig Form Materiestrahlen, senkrecht Rotationsachse Sterns Umgebung geschossen werden. Ähnlich Plasmastrahlen wenigen 1000 km/s (was grob Promille Lichtgeschwindigkeit entspricht). setzen dabei 000 kinetische frei typischen Sonnensturm. Kindheit Jugend aufregend. Eruptionen Gewichtsklasse stellen Bildung Überleben sternnahen harte Probe. kein Sternexplosionen Universum. Gewicht acht Sonnenmassen leben schnell sterben jung. Treibstoff knapp zehn Jahren verbrennt, schaffen schwergewichtigen Vorläufer Supernovaexplosionen Millionen Jahren. Massereiche Dasein spektakulären Billionen Sterneruptionen. Material sterbenden 10 (oder 30 km/s) Sternumgebung ideale Bedingungen, beschleunigen. Aber warum manche massereichen Supernova? solchen seines Brennstoff ausgeht, fusioniert schneller schwerere Elemente hin Eisen. Eisenkern 1,5 überschreitet, Gravitationsdruck standhalten, drückt Elektronen Neutronenstern 2014, 45(1), 12). Bei schweren Schwarzen Loch. diesen Neutrinos produziert. kaum wechselwirken, ihre Anzahl groß, starke ausbildet Supernovaexplosion antreibt. bilden beim Kollaps zusätzlich sphärischen Schale Supernova-Schockwelle energiereiche schnelle [4]. Es vermutet, hierfür rotierende Schwarze Loch verantwortlich ist: toroidale Magnetosphäre aus, umgebendes Sternmaterial aufgesogen entlang ausgestoßen wird. Weg Teilchens Schockfront In Illustration Schock statisch, ungeschockte läuft rechts (blaue Pfeile). Nachdem durchlaufen hat, abgebremst, komprimiert aufgeheizt. her erhält jeder Durchquerung Energie. Länge blauen Pfeile Geschwindigkeit Hintergrundteilchen dar. weitestgehend isotrop Umgebung, wohingegen Sternoberfläche herausbrechen erzeugen. Zur Einordnung Abbildung Geschwindigkeiten, erreichen, höher Supernova: Typischerweise erreicht GRB Prozent langsamer Lichtgeschwindigkeit. Andererseits enthalten fokussierten Bruchteil Energie, isotropen Supernova-Explosion entsteht. Sternenstürme, ausstoßen, breitet all stellaren Explosionen Überschallgeschwindigkeit aus. ausgestoßene langsamere läuft, Stelle Wechselwirkung beider Gase genau dort, wo bereits aufgeheizte trifft. Verschiedene Beobachtungen kollisionsfreien Geburtsstätten hochenergetischer Gaspartikel, „Beschleunigung Schockfront“ Seite dargestellt vom werden, durchqueren wieder, zwischen ungeschockten Materials aufgeheizten Gases. absorbieren beiden Ausflüssen gespeichert ist. drei bisher besprochenen allesamt Jedoch führen Gasausflüsse dazu, unterschiedlich Wie erklärt, erhält, proportional Geschwindigkeitsunterschied Gasen. steigendem Geschwindigkeitskontrast sinkt zugleich braucht, Zyklus vollführen. Ausflüsse Protosternen, Beschleunigungsraten Objekte. verschiedenen Beschleunigern wiederum Maximalenergien, Beschleunigungsprozess ausfließenden Moment hinzugefügt. umgebende pflügt, diesem, sammelt verlangsamt zunehmend, System keine weitere hinzugefügt heißt Teilchenbeschleunigung? Vereinfacht gesagt, bedeutet dies, energiereichsten besten sollten, produzieren, gleichzeitig größte Energiereservoir Verfügung höhere Realität Situation komplizierter: findet statt, wieder durchqueren, womit „surfen“ ihm mitbewegen müssen. schnellen, zunehmend schwierig Teilchen, mitzuhalten, weswegen entzogen 2). Daraus folgt gleichzeitig, optimalen Punkt geben muss, effektivsten Bisher liefern Überlegungen stichhaltigen Hinweise darauf, liegt welchen astrophysikalischen Objekten Bedingungen demnach anzutreffen Geschockte Abnahme Teilchenanzahl Schockdurchquerungen, beschleunigte stromabwärts weggerissen (lila Kurve). Gleichzeitig nimmt Schockregion verweilen, kontinuierlich (grüne Magnetfeldern abgelenkt verlieren dadurch Richtungsinformation. neutralen Gammastrahlen Spiel, kosmischer erzeugt direkten Einblick erlauben. omnipräsenten Turbulenzen, begleiten, produzieren Magnetfelder. bewegenden wechselwirken Magnetfeldern, soeben gewonnene Synchrotron-Strahlung. Viele Synchrotron-Photonen ungehindert entkommen; treffen ihrem zwangsläufig andere Elektronen. Zusammenstoß Photon übertragen, Synchrotron-Photon zusätzlichen Energieschub gibt. Dieser Prozess Englischen Synchrotron Self-Compton Process (SSC). Lange angenommen, SSC-Prozess Gammastrahlung, Explosionen, GRBs, stammt, erklärt. etabliert ist, fehlt doch überzeugende Nachweis genaue Gammastrahlungsenergien. schwer belegende Erwartungen es, überprüfen. schnellen laut realisieren ausgeschlossen. Modelle, untersuchen annehmen, derzeit weit verbreitet. Folgenden sehen bringt Messung Teraelektronenvolt-(TeV-)Gammastrahlung nahegelegenen GRB190829A H.E.S.S.-Teleskopen Erklärungsnot. Damit erforderlich, Alternativen nachzudenken. Kosmische zeitveränderliche Phänomene. teilweise monatelang leuchten, senden wenige Sekunden Beschleunigungsprozesse extremen Ereignissen untersuchen, bedarf entweder Teleskope, großen Himmels sehen, Instrumente, Fall automatisch umgeschwenkt Über technisches Netzwerk aufgebaut, Detektion Eigenschaften weltweit Teleskope kommunizieren. Röntgeninstrumente Burst Alert Telescope (BAT) Swift suchen dediziert nach GRBs. 29. August 2019 sah Röntgensatellit Ausbruch 190829A Sternbild Eridanus benachrichtigte anderem namibischen Hochland. High Energy Stereoscopic (H.E.S.S.), Entdecker Hess, benannt. besteht fünf Tscherenkow-Teleskopen, Gammastrahlungslicht 5 ⋅1010 vermessen 3). Vier kleinere Spiegeldurchmesser 12 m Ecken Quadrats 120 Seitenlänge positioniert. Mitte steht Tscherenkow-Teleskop 28 m. große Teleskop darauf spezialisiert, zeitveränderlichen Signalen Teilchenbeschleunigern jagen. befindet Khomas-Hochland, Autostunden Hauptstadt Windhoek entfernt. H.E.S.S.-Instrument Teleskopen: vier kleineren größeren Spiegeldurchmesser. Instrument Khomas-Hochland Namibia untersucht Herkunft (Foto: B. Foucher). Als Nachricht Röntgendetektion erhielt, später Nachmittag Namibia, weshalb Stunden warten mussten, bevor Himmelsregion ausgerichtet konnten. Schon Minuten, nachdem Datennahme gestartet wurde, alarmierte Echtzeit laufende Analyse Beobachter Kontrollraum neue hochenergetische Gammastrahlungsquelle Position GRB190829A. Gleich nächsten Morgen informierte weltweite astrophysikalische Gemeinschaft außergewöhnliche [5], woraufhin Instrumente Nachbeobachtungen starteten. Nächte hinweg H.E.S.S.-Teleskope sichtbar. Nacht Signals ab 4). Himmelskarten Nächten H.E.S.S.-Beobachtungen [6] (Rektaszension, Deklination: Polarkoordinaten). rote markiert Helligkeit Signifikanz gegenüber Rest Himmels. Gammastrahlungssignal schwächer [6]. Reprinted with permission from AAAS). Aufnahme dessen Aufnahmen Instrumenten Lichtfrequenzen gaben erstaunliche Einblicke Physik 190829A. Objekts interagieren überwiegend Sternenlicht anderer Galaxien Hintergrundstrahlung Erde. macht umso schwerer, entfernten nachzuweisen. Zusätzlich Absorption energieabhängig, bedeutet, transparent je Photonenenergie typische hat Rotverschiebung z 2, oberhalb absorbiert Erst beginnt H.E.S.S., sehen. explodierte Nachbarschaft, 0,0785 900 Lichtjahren Entfernung. kurze Distanz erlaubte fast unverstellten Blick werfen, ausgesendet hat. erwartet, Synchrotron-Prozess maximalen unterhalb 109 maximale weist limitierte hin. Oberhalb Synchrotron-Energie übernehmen Leuchtkraft steigt an, zerstört. Trägt also gegen Verlauf erwarten, Höckern Kamels ähnelt. XRT detektierte keV-Energien Röntgenlicht, welches Synchrotron-Strahlung Für Teil, beobachtet, naiv verursacht Zudem müsste Abschwächung XRT- erkennbar 5, blaue Linie). deutlich besser durchgehende Synchrotron-Komponente beschrieben orange Ergebnisse Gammablitzes äußerst überraschend. Entgegen weitverbreiteten Erwartung scheinen Energiespektren Röntgen- ohne zusätzliche SSC-Komponente auszukommen. Stattdessen sieht TeV-Energiebereich erstrecken. Stammen tatsächlich demselben Synchrotron-Prozess, wären effektivere angenommen. ermöglicht Erklärungsmöglichkeiten 1960er-Jahren entdeckten CRs. Modelle überprüfen weiterer detaillierter breit Spektrum. 190829A, basierend ersten Linien zeigen modellierten Annahme, bestünde (orange Linie) Synchrotron- SSC-Komponenten gold rot umrandeten Balken (und Unsicherheiten) Swift-XRT Swift/NASA, EPO/Sonoma State Univ./A. Simonnet/H.E.S.S./B. führten Widerspruch Jahrzehnte zutreffend angenommenen Modellen. Genau Bestandteil neuer aufregender Physik. rufen neuen Modellen weiteren Gammastrahleninstrumenten. öffnet Kapitel Open Access Veröffentlichung organisiert Projekt DEAL. Andrew Taylor promovierte University of Oxford 2007 Forschungsschwerpunkt ultrahochenergetischen Er arbeitete danach MPIK Heidelberg, Universität Genf Schweiz DIAS Irland. 2017 wissenschaftlicher Mitarbeiter DESY beschäftigt konzentriert Interpretationen experimentellen Beobachtungen, gewonnenen Resultate. Sylvia Zhu studierte Maryland NASA Goddard Space Flight Center. Danach Max-Planck-Institut Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) Postdoc Leiterin H.E.S.S.-Gammastrahlenblitz-Gruppe. Ruslan Konno Doktorand arbeitet Beobachtung Auswertung inklusive Gammastrahlenblitze. promoviert H.E.S.S.-Gruppe internationalen Helmholtz Weizmann School for Multimessenger Astronomy. Stefan Ohm 2010 Kernphysik Heidelberg Thema Sternformationsregionen intelligenten Analysemethoden dreijährigen Forschungsaufenthalt England Universitäten Leeds Leicester wechselte 2014 seitdem CTA. 2018 Leiter Nachverfolgung astrophysikalischer Gammastrahlenblitzen.