Eine Illustration einer Supernova, die den stärksten jemals gesehenen Gammastrahlenausbruch auslöst (Bildnachweis: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services.)
Wissenschaftler sind der Entdeckung, wie Gammastrahlenausbrüche zu den stärksten Explosionen im bekannten Universum werden, möglicherweise einen Schritt näher gekommen.
Zum Vergleich: Ein einziger Gammastrahlenausbruch (GRB) kann in Sekunden mehr Energie erzeugen, als die Sonne in Milliarden von Jahren abstrahlt. Aufgrund dieser Leistung gehen Wissenschaftler davon aus, dass GRBs durch einige der gewaltigsten Ereignisse im Universum entstehen. Dazu gehören Supernova-Explosionen, die den Tod massereicher Sterne markieren, die Kollision und Verschmelzung zweier Neutronensterne, also „toter“ Sterne, die aus der dichtesten uns bekannten Materie bestehen, sowie Ausbrüche von kleinen schwarzen Löchern.
Doch einige Aspekte dieser Explosionen bleiben geheimnisvoll, darunter der genaue Mechanismus, der einen GRB auslöst, und was genau einen „langen“ GRB, der länger als 2 Sekunden dauert, im Gegensatz zu einem „kurzen“ GRB, der kürzer dauert, verursacht.
Ein Team von Wissenschaftlern der University of Alabama in Huntsville hat beispielsweise die Lichtausfälle von GRBs und deren zeitliche Veränderung untersucht, um diese Eruptionen besser modellieren und ihre Geheimnisse entschlüsseln zu können.
„Obwohl die Mechanismen, durch die GRBs Licht erzeugen, seit über fünfzig Jahren erforscht werden, sind sie immer noch unbekannt – ein großes Geheimnis der modernen Astrophysik“, sagte der Leiter des Teams, Jon Hakkila, Wissenschaftler an der University of Alabama in Huntsville, in einer Erklärung. „Das Verständnis von GRBs hilft uns, einige der schnellsten und stärksten Licht erzeugenden Mechanismen zu verstehen, die die Natur anwendet.
„GRBs sind so hell, dass sie über die gesamte Breite des Universums zu sehen sind, und – da sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet – erlauben sie uns einen Blick zurück in die früheste Zeit der Existenz von Sternen.“
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Licht auf GRBs werfen
Einer der Hauptgründe, warum GRBs so schwer zu verstehen sind, liegt darin, dass theoretische Modelle zu ihrer Beschreibung nicht in der Lage waren, das Verhalten ihrer Lichtkurven zu erklären, d. h. Diagramme, die zeigen, wie sich die Lichtintensität eines Objekts im Laufe der Zeit verändert.
Zusätzlich erschwert wird die Situation durch die Tatsache, dass keine zwei GRB-Lichtkurven exakt gleich sind und die Dauer der Ausbrüche von wenigen Millisekunden bis zu mehreren zehn Minuten reichen kann.
Hakkila und Kollegen modellierten GRBs als eine Reihe von Energiepulsen und betrachteten diese Pulse als die Grundeinheiten der GRB-Emission. „Sie zeigen Zeiten an, in denen ein GRB aufleuchtet und dann wieder abklingt. Während der Zeit, in der ein GRB-Puls emittiert, unterliegt er Helligkeitsschwankungen, die manchmal auf sehr kurzen Zeitskalen auftreten können“, so Hakkila. „Das Seltsame an diesen Schwankungen ist, dass sie umkehrbar sind, so wie [palindromische] Wörter wie ‚Rotator‘ oder ‚Kajak‘ umkehrbar sind“, so der Wissenschaftler, der hinzufügte, dass es sehr schwer zu verstehen ist, wie diese Umkehrbarkeit möglich ist, da die Zeit im Gegensatz zu den Buchstaben eines Wortes nur in eine Richtung gelesen werden kann.
„Der Mechanismus, der das Licht in einem GRB-Puls erzeugt, produziert irgendwie ein Helligkeitsmuster und erzeugt dann später dasselbe Muster in umgekehrter Reihenfolge“, sagte er. „Das ist ziemlich seltsam und macht GRBs einzigartig“.
Ein supermassives Schwarzes Loch sendet relativistische Strahlen aus, die von einem Gammastrahlenausbruch begleitet werden. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Das Team konzentrierte sich auf Modelle von GRBs, die entstehen, wenn Schwarze Löcher (die vor kurzem durch den Tod eines massereichen Sterns entstanden sind) Teilchenstrahlen aussenden, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit oder „relativistisch“ bewegen.
„In diesen Modellen kollabiert der Kern eines sterbenden massereichen Sterns und bildet ein Schwarzes Loch, und das in das Schwarze Loch fallende Material wird auseinandergerissen und entlang zweier entgegengesetzter Strahlen oder Jets nach außen gelenkt“, erklärt Hakkila. „Der Strahl, der in unsere Richtung zeigt, wird mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen geschleudert.
„Da der GRB relativ kurzlebig ist, wurde immer angenommen, dass der Jet während des gesamten Ereignisses auf uns gerichtet bleibt. Aber die zeitlich umgekehrten Impulscharakteristiken waren sehr schwer zu erklären, wenn sie aus einem sich nicht bewegenden Jet stammen.“
Um die palindromartige Natur der GRB-Lichtkurven zu erklären, fügte das Team den relativistischen Jets, die von den kleinen Schwarzen Löchern weggeschossen werden, eine seitliche Bewegung hinzu.
„Die Idee eines sich seitlich bewegenden Jets bietet eine einfache Lösung, mit der die zeitlich umgekehrte GRB-Pulsstruktur erklärt werden kann“, so Hakkila weiter. „Wenn der Jet die Sichtlinie kreuzt, sieht ein Beobachter das Licht, das zuerst von einer Seite des Jets erzeugt wird, dann vom Zentrum des Jets und schließlich von der anderen Seite des Jets.
„Der Jet wird heller und dann schwächer, wenn das Zentrum des Jets die Sichtlinie kreuzt, und die radialsymmetrische Struktur um den Kern des Jets wird in umgekehrter Reihenfolge zu sehen sein, wenn der Jet schwächer wird.“
Hakkila fügte hinzu, dass in diesem „ballistischen Modell von GRBs“ relativistische Jets von Schwarzen Löchern Material auf eine Art und Weise versprühen, die an einen Feuerwehrschlauch erinnert, der Wasser versprüht. Da sich die Strahlen wie eine Flüssigkeit und nicht wie ein Festkörper verhalten, würde ein Beobachter den gesamten Strahl als gekrümmt und nicht als gerade wahrnehmen, sagte er.
„Die Bewegung der Düse führt dazu, dass das Licht aus verschiedenen Teilen des Strahls uns zu unterschiedlichen Zeiten erreicht, und dies kann genutzt werden, um den Mechanismus, durch den der Strahl Licht erzeugt, besser zu verstehen, sowie als Labor zur Untersuchung der Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie“, schloss er.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 22. April in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
