Astronomen entdecken eine neue Klasse ultralanger Gammastrahlenausbrüche

GRB 111209A produzierte sieben Stunden lang hochenergetische Gamma-Emissionen. Diese Falschfarbenaufnahme zeigt das Ereignis, wie es vom X-ray Telescope an Bord des Swift-Satelliten aufgenommen wurde. (NASA / Swift / B. Gendre (ASDC / INAF-OAR / ARTEMIS))
GRB 111209A produzierte sieben Stunden lang hochenergetische Gamma-Emissionen. Diese Falschfarbenaufnahme zeigt das Ereignis, wie es vom X-ray Telescope an Bord des Swift-Satelliten aufgenommen wurde. (NASA / Swift / B. Gendre (ASDC / INAF-OAR / ARTEMIS))

Drei ungewöhnlich lang andauernde stellare Explosionen, die vom Swift-Satelliten der NASA entdeckt wurden, repräsentieren eine bislang unerkannte Klasse von Gammastrahlenausbrüchen (gamma-ray burst, GRB). Zwei internationale Astronomenteams schlussfolgern nach der Untersuchung dieser Ereignisse, dass sie wahrscheinlich aus dem vernichtenden Tod von Superriesensternen hervorgingen, die hunderte Male größer als die Sonne waren.

Die Astronomen diskutierten ihre Ergebnisse am vergangenen Dienstag (16. April 2013) auf dem Huntsville Gamma-ray Burst Symposium in Nashville (Tennessee), einem Treffen, das teilweise von der University of Alabama in Huntsville und den NASA-Missionen Swift und Fermi gefördert wird.

GRBs sind die hellsten und rätselhaftesten Explosionen im Universum. Die Ausbrüche emittieren Gammastrahlen (die energiereichste Form von Licht) und Röntgenstrahlen und sie erzeugen ein Nachglühen, das in optischen und Radiowellenlängen beobachtet werden kann. Swift, Fermi und andere Satelliten registrieren im Durchschnitt einen GRB pro Tag.

“Wir haben in den vergangenen vier Jahrzehnten tausende Gammastrahlenausbrüche gesehen, aber erst jetzt bekommen wir ein klares Bild davon, wie extrem diese außergewöhnlichen Ereignisse sein können”, sagte Bruce Gendre, ein Forscher, der jetzt für das French National Center for Scientific Research arbeitet. Er leitete diese Studie, als er noch für das Science Data Center der Italian Space Agency in Frascati (Italien) tätig war. Vor dem Start des Swift-Satelliten im Jahr 2004 waren die Satelliteninstrumente weit weniger empfindlich für Gammastrahlenausbrüche, die sich über vergleichsweise lange Zeitspannen entwickelten.

Astronomen haben bisher zwei GRB-Arten erkannt: kurze und lange – basierend auf der Dauer des Gammastrahlensignals. Kurze Ausbrüche dauern zwei Sekunden oder weniger und man nimmt an, dass sie die Verschmelzung kompakter Objekte in einem Doppelsystem anzeigen, wobei die wahrscheinlichsten Verdächtigen Neutronensterne und Schwarze Löcher sind. Lange GRBs halten zwischen mehreren Sekunden und mehreren Minuten an, die typische Dauer beträgt 20 bis 50 Sekunden. Man vermutet, dass diese Ereignisse mit dem Kollaps eines Sterns mit der vielfachen Sonnenmasse in Zusammenhang stehen und in der Geburt eines neuen Schwarzen Lochs resultieren. Beide Szenarien erzeugen starke Jets, die Materie mit annähernd Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen abstoßen. Wenn sie mit Materie in und um den Stern interagieren, produzieren die Jets eine Strahlungsspitze aus hochenergetischem Licht.

Gendre und seine Kollegen führten eine detaillierte Studie des Gammastrahlenausbruchs GRB 111209A durch, der am 9. Dezember 2011 stattfand. Sie verwendeten Gamma-Daten des Konus-Instruments an Bord des WIND-Satelliten, Röntgenbeobachtungen von Swift und dem ESA-Satelliten XMM-Newton, sowie optische Daten des automatischen TAROT-Observatoriums in La Silla (Chile). Der Ausbruch produzierte hochenergetische Emissionen über den erstaunlichen Zeitraum von sieben Stunden, was ihn mit Abstand zum längsten GRB macht, der je aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse des Teams erschienen in der The Astrophysical Journal-Ausgabe vom 20. März 2013.

Ein anderes Ereignis, GRB 101225A, fand am ersten Weihnachtstag 2010 statt und erzeugte mindestens zwei Stunden lang hochenergetische Emissionen. Es wurde nachfolgend als “Weihnachtsausbruch” (“Christmas burst”) bezeichnet, aber die Entfernung war unbekannt, was zwei Teams zu zwei völlig unterschiedlichen physikalischen Interpretationen führte. Eine Gruppe schlussfolgerte, dass der Ausbruch von einem Kometen oder Asteroiden verursacht wurde, der innerhalb unserer eigenen Galaxie auf einen Neutronenstern stürzte. Ein anderes Team kam zu dem Ergebnis, dass der Ausbruch das Ergebnis eines Verschmelzungsprozesses in einem exotischen Doppelsystem war, etwa 3,5 Milliarden Lichtjahre entfernt.

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Video-Link: https://youtu.be/vjulbk2qJGU

Videobeitrag über den “Weihnachtsausbruch”, der von Swift am 25. Dezember 2010 registriert wurde. (NASA / Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio)

“Wir wissen jetzt, dass der Weihnachtsausbruch deutlich weiter entfernt auftrat (mehr als quer durch das halbe beobachtbare Universum) und daher noch viel energiereicher war, als sich die beteiligten Forscher vorgestellt hatten”, sagte Andrew Levan, ein Astronom von der University of Warwick in Coventry (England). Unter Verwendung des Gemini North Telescope auf Hawaii erhielten Levan und sein Team ein Spektrum der schwachen Galaxie, in der der Weihnachtsausbruch stattfand. Das erlaubte den Wissenschaftlern, Emissionslinien von Sauerstoff und Wasserstoff zu identifizieren und zu bestimmen, wie weit diese Linien in niedrigere Energiebereiche verschoben waren, verglichen mit ihrem Auftreten in einem Labor. Dieser Unterschied, von Astronomen auch Rotverschiebung genannt, platziert den Ausbruch in eine Entfernung von rund sieben Milliarden Lichtjahren.

Die Studie wird in einer Abhandlung beschrieben, die beim The Astrophysical Journal eingereicht wurde. Als Teil der Studie untersuchte Levans Team auch GRB 111209A und den jüngeren Ausbruch GRB 121027A, der sich am 27. Oktober 2012 ereignete. Alle zeigen ähnliche Röntgen-, Ultraviolett-, und optische Emissionen und alle waren in den Zentralregionen kompakter Galaxien zu sehen, die aktiv Sterne produzieren. Die Astronomen schlussfolgern, dass alle drei GRBs einer bislang unerkannten Gruppe von “ultralangen” Ausbrüchen angehören.

Was die normale Klasse langer GRBs betrifft, stellen sich die Astronomen einen Stern von der Größe der Sonne vor, der jedoch ein Vielfaches ihrer Masse besitzt. Die Masse muss groß genug sein, damit der Stern einen Energienotstand erfährt, infolgedessen sein Kern allen Brennstoff verbraucht und unter seinem eigenen Gewicht kollabiert, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Ein Teil der Materie, die in das entstehende Schwarze Loch stürzt, wird in starke Jets umgelenkt, welche sich durch den Stern bohren und die Gammaspitze hervorrufen. Aber weil dieser Ausbruch kurzlebig ist, muss der Stern vergleichsweise klein sein.

“Wolf-Rayet-Sterne erfüllen diese Bedingungen”, erklärte Levan. “Sie werden mit mehr als der 25-fachen Sonnenmasse geboren, aber sie brennen so heiß, dass sie ihre mächtige, äußere Wasserstoffschicht abstoßen, was wir als stellaren Wind bezeichnen.” Das Fortblasen der stellaren Atmosphäre hinterlässt ein Objekt, das schwer genug ist, um ein Schwarzes Loch zu bilden, aber das auch klein genug ist, damit sich die Teilchenjets ihren Weg bahnen können. Das geschieht in einer Dauer, die für lange GRBs typisch ist.

Künstlerische Darstellung eines Blauen Superriesen. Als Größenvergleich sind die Umlaufbahnen von Mars und Jupiter eingezeichnet. (NASA / Goddard Space Flight Center / S. Wiessinger)
Künstlerische Darstellung eines Blauen Superriesen. Als Größenvergleich sind die Umlaufbahnen von Mars und Jupiter eingezeichnet. (NASA / Goddard Space Flight Center / S. Wiessinger)

Weil ultralange GRBs über Zeitspannen andauern, die bis zu 100 Mal länger als jene der langen GRBs sind, erfordern sie eine stellare Quelle, die eine entsprechend größere physikalische Ausdehnung besitzt. Beide Gruppen vermuten, dass der wahrscheinliche Kandidat ein Superriese ist – ein Stern mit etwa der 20-fachen Sonnenmasse, der noch über seine mächtige Wasserstoffatmosphäre verfügt. Dadurch ist sein Durchmesser hunderte Male größer als der Durchmesser der Sonne. Gendres Team geht noch weiter und schlägt vor, dass GRB 111209A den Tod eines Blauen Superriesen markierte, der relativ geringe Mengen an Elementen schwerer als Helium enthielt. Diese Elemente nennen Astronomen Metalle.

“Der Metallgehalt eines massereichen Sterns kontrolliert die Stärke seiner stellaren Winde, was wiederum bestimmt, wie viel seiner Wasserstoffatmosphäre er behält, während er altert”, sagte Gendre. Die mächtige Wasserstoffhülle des Sterns würde Stunden benötigen, um ihren Sturz in das Schwarze Loch zu vollenden. Das würde eine langlebige Brennstoffquelle für einen ultralangen GRB-Jet darstellen.

Der Metallgehalt spielt außerdem eine wichtige Rolle bei der Entwicklung langer GRBs. Zu diesem Ergebnis kommt eine detaillierte Studie, die von John Graham und Andrew Fruchter präsentiert wurde, beides Astronomen am Space Telescope Science Institute in Baltimore.

Sterne erzeugen während ihres energieproduzierenden Lebens und durch Supernova-Explosionen schwere Elemente und jede Sterngeneration reichert das interstellare Gas mit größeren Anteilen schwerer Elemente an. Obwohl Astronomen bemerkt haben, dass lange GRBs viel häufiger in metallarmen Galaxien auftreten, vermuten manche von ihnen, dass dieses Muster nicht spezifisch für Sterne und ihre Umgebungen ist.

Um diese Möglichkeit zu untersuchen, entwickelten Graham und Fruchter eine neue Methode, die es ihnen erlaubte, Galaxien mit Hilfe ihrer zugrundeliegenden Sternentstehungsraten zu vergleichen. Dann begutachteten sie Galaxien, die als Heimat für lange GRBs und verschiedene Supernova-Typen dienten, sowie eine Kontrollstichprobe aus 20.000 typischen Galaxien des Sloan Digital Sky Survey.

Dieses Diagramm zeigt die Häufigkeit von kurzen und langen GRBs in Abhängigkeit von ihrer Dauer und der vermuteten Größe der Sterne, die sie erzeugen. (Andrew Levan, Univ. of Warwick)
Dieses Diagramm zeigt die Häufigkeit von kurzen und langen GRBs in Abhängigkeit von ihrer Dauer und der vermuteten Größe der Sterne, die sie erzeugen. (Andrew Levan, Univ. of Warwick)

Die Astronomen stellten fest, dass 75 Prozent der langen GRBs in den zehn Prozent der Sternentstehungsregionen mit dem geringsten Metallgehalt auftraten. Obwohl die Studie ein paar lange GRBs in Umgebungen mit hohem Metallgehalt fand (beispielsweise in unserer eigenen Galaxie), finden sie nur mit etwa der vierprozentigen Rate statt, die in metallarmen Umgebungen beobachtet wird. “Die meisten Sterne entstehen in metallreichen Umgebungen und das hat den Nebeneffekt, dass sich die Häufigkeit von langen GRBs verringert, während das Universum altert”, erklärte Graham. “Und auch wenn ein nahe gelegener, langer GRB katastrophal für das Leben auf der Erde wäre, zeigt unsere Studie, dass Galaxien wie unsere eigene sie mit viel kleineren Wahrscheinlichkeiten produzieren.”

Die Astronomen sind der Meinung, dass dieses Muster einen Unterschied bei der Art und Weise reflektiert, wie ein massereicher Stern es schafft, seine Rotationsgeschwindigkeit zu erhalten. Ein wachsender Metallgehalt bedeutet stärkere stellare Winde. Weil diese Winde Materie von der Sternoberfläche fortblasen, verringert sich nach und nach die Rotationsgeschwindigkeit des Sterns – genau wie sich eine drehende Eiskunstläuferin verlangsamt, wenn sie ihre Arme ausbreitet. Sterne mit mit einer höheren Rotationsgeschwindigkeit könnten mit größerer Wahrscheinlichkeit einen langen GRB erzeugen.

Graham und Fruchter stellen die Hypothese auf, dass die wenigen langen GRBs in metallreichen Umgebungen Hilfe von einem nahen Begleitstern hatten. Durch Übertragung von Masse (und damit auch Rotationsenergie) auf den explodierenden Stern agiert ein Begleitstern als das physikalische Äquivalent einer Person, die einer langsam drehenden Eiskunstläuferin Schwung gibt und damit ihre Rotationsgeschwindigkeit wieder erhöht.

Quelle: http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/supergiant-stars.html

(THK)

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