Rekord-Gammastrahlenblitz aus den Tiefen des Weltraums

Es war eine Sache von wenigen Minuten: Am 14. Januar 2019 registrierte das NASA Weltraumobservatorium Neil Gehrels Swift einen Helligkeitsanstieg aus der Richtung des Sternbilds Eridanus. Innerhalb von nur 22 Sekunden wurden die Koordinaten über das Internet weltweit verfügbar gemacht. Die Reaktion auf der Erde lief nicht langsamer ab: Nur 25 Sekunden dauerte es, bis Wissenschaftler auf der Kanarischen Insel La Palma die beiden dort stationierten MAGIC-Teleskope trotz ihres Gewichts von gut 64 Tonnen und ihrem Durchmesser von jeweils 17 Metern Durchmesser auf die Himmelskoordinaten des Weltraumwächters ausgerichtet hatten.

Spektakulär hohe Energien

Was die Teleskope dann entdeckten, sorgte unter Astronomen für Aufsehen und hat zu zwei Veröffentlichungen geführt, die jetzt in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature zu lesen sind. Demnach hat das internationale Forschungsteam, zu dem auch Astronomen der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) gehören, einen Gammastrahlenblitz aus einer Galaxie in über fünf Milliarden Lichtjahren Entfernung entdeckt. Die beobachteten Lichtquanten des Gammablitzes GRB 190114C erreichten dabei spektakulär hohe Energien, wie sie bisher noch nie beobachtet wurden. Der Gammablitz überstrahlte alle andere Quellen aufgrund seiner enormen Helligkeit. Die normalerweise hellste Gammaquelle, der als Krabbennebel bekannte Supernova-Überrest Messier 1, wurde um das Hundertfache übertroffen.

„Gammastrahlung ist eine mit der Röntgenstrahlung verwandte, sehr durchdringende elektromagnetische Strahlung, die kaum abgeschirmt werden kann. Sie wurde erstmals nur wenige Jahre nach der von Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg entdeckten Röntgenstrahlung in Straßburg von Paul Villard bei der Untersuchung radioaktiver Proben nachgewiesen“, erklärt Professor Karl Mannheim, Inhaber des Lehrstuhls für Astronomie an der JMU und Co-Autor der Nature-Publikationen. Gammastrahlung entsteht bei Kernprozessen, Antimaterie-Vernichtung und durch Stoßprozesse sehr energiereicher Elementarteilchen.  Energiereiche Teilchen aus dem Weltraum, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden, bombardieren permanent die Erdatmosphäre und sind für etwa die Hälfte der natürlichen ionisierenden Strahlung am Erdboden verantwortlich. Für die Entdeckung der kosmischen Strahlung erhielt der österreichische Physiker Victor Hess 1936 den Physik-Nobelpreis.

Hypernovae: die effizientesten Kraftwerke des Universums

Welche astronomischen Objekte kosmische Teilchenbeschleuniger sind und deswegen Gammastrahlung aussenden, beginnt die Wissenschaft erst seit kurzer Zeit zu verstehen. „Gammablitze gehören zu den stärksten kosmischen Teilchenbeschleunigern“, erklärt Mannheim.  GRB 190114C wurde vermutlich durch eine Hypernova verursacht, der Supernova-Sternexplosion eines seltenen Typs massereicher Sterne am Ende ihrer Entwicklung. Im Inneren des massereichen Sterns bildet sich durch den Gravitationskollaps in Sekundenschnelle ein Schwarzes Loch, und die dabei freiwerdende Gravitationsenergie wird in zwei Plasmastrahlen parallel zur Rotationsachse ausgestoßen.

„In Hypernovae wird ein großer Bruchteil der gesamten Ruhemassenenergie des kollabierenden Sterns in Strahlung umgewandelt.  Sie sind die effizientesten Kraftwerke im Universum“, so der Astronom. Wie die Auswertung der im Januar 2019 gewonnenen Daten zeigt, wurden in den Plasmastrahlen des GRB 190114C Elementarteilchen auf unfassbar hohe Energien beschleunigt. Das Licht des Gammastrahlenblitzes entspricht dabei einer Strahlung mit der milliardenfachen Energie von Röntgenstrahlung.

Nachfolgebeobachtungen mit Teleskopen in anderen Wellenlängenbereichen ergänzen inzwischen das Bild und ermöglichen es, das Ereignis mit einer extremen Stoßwelle in Verbindung zu bringen, die von der Hypernova ausging und sich fast mit Lichtgeschwindigkeit in den interstellaren Raum ausbreitete. „Solche kosmischen Katastrophen finden auch in unserer Milchstraße statt. Sie sind sehr selten, wären aber absolut tödlich, wenn sie in Erdnähe geschehen“, sagt Karl Mannheim. Die energiereiche Strahlung würde die Atmosphäre ionisieren und die schützende Ozonschicht zerstören. Tatsächlich gibt es Überlegungen, dass die aus der Erdgeschichte bekannten Ereignisse mit einer Massenauslöschung von Lebewesen auf der Erde in Verbindung mit solchen Gammablitzen stehen könnten. Professor Mannheim ist aber davon überzeugt, dass „die Evolution den Herausforderungen kosmischer und anderer Katastrophen gewachsen ist“. Schließlich zeigen extreme Phänomene wie der jetzt gemessene Gammablitz, dass „der Erfindungsreichtum der Natur unser Vorstellungsvermögen stets bei weitem übertrifft“.

Die MAGIC-Teleskope

Die zwei MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) Teleskope mit jeweils 17 Metern Spiegeldurchmesser befinden sich auf etwa 2200 Meter über dem Meer als Teil der europäischen Nordsternwarte am Roque de los Muchachos auf der Kanareninsel La Palma. MAGIC wird von einer internationalen Kollaboration mit etwa 160 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Instituten in Deutschland, Spanien, Italien, der Schweiz, Polen, Finnland, Bulgarien, Kroatien, Indien und Japan betrieben.

Dass sich die Teleskope so schnell auf die Quelle des Gammablitzes ausrichten konnten, verdanken sie ihrem leistungsstarken Antrieb und dem verhältnismäßig geringen Gewicht. Die Komponenten wurden von Firmen aus Unterfranken hergestellt und von Wissenschaftlern und Technikern der Fakultät für Physik und Astronomie der JMU sowie des Werner-Heisenberg-Instituts für Physik der Max-Planck-Gesellschaft aufgebaut. Die außerordentlich präzise und schnelle Reaktion des MAGIC-Teleskopsystems war entscheidend für die Entdeckung und Voraussetzung dafür, nun über einzigartige Messungen der Frühphase einer Hypernova bei hohen Energien zu verfügen.

Die Originalpublikation

Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C, Nature, 20 November 2019, https://www.nature.com/articles/s41586-019-1750-x

Das Sternbild Eridanus

Das Sternbild Eridanus trägt seinen Namen nach einer Episode aus der griechischen Mythologie. Darin wird geschildert, wie Phaeton, der Sohn des Sonnengottes Helios, den Himmelswagen seines Vaters übernahm und ihm dabei die Rösser durchgingen. Es folgte eine Irrfahrt entlang des Flusslaufes des Eridanus. Die Irrfahrt wurde von Zeus durch einen Blitzschlag beendet, der Phaeton tötete und Nordafrika verbrannte.

Kontakt und Links

Prof. Dr. Karl Mannheim, Lehrstuhl für Astronomie, T: +49 931 318 5030, E-Mail: mannheim@astro.uni-wuerzburg.de

Website der MAGIC Kollaboration

Die Entdeckung der Gammastrahlen im Video:

https://www.youtube.com/watch?v=RiFGBrIEW-Q&t=6s (Deutsch)

https://www.youtube.com/watch?v=H-M82mxrEUo (Englisch)