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Neues Licht auf dunkle Gammastrahlenausbrüche

16.12.2010
Gammastrahlenausbrüche gehören zu den energiereichsten Phänomenen im Universum, aber im sichtbaren Licht glimmen einige dieser gigantischen Explosionen nur ein schwach.

Nun haben Astronomen herausgefunden, dass für diese so genannten „dunklen“ Gammastrahlenausbrüche keine exotischen Erklärungsansätze nötig sind: Im Rahmen der bisher umfangreichsten Studie solcher Ereignisse, durchgeführt mit dem GROND-Instrument am MPG/ESO 2,2 Meter-Teleskop auf La Silla in Chile, gelang es, die Lichtschwäche der dunklen Gammastrahlenausbrüche durch verschiedene Faktoren zu erklären. Den größten Einfluss übt dabei Staub zwischen der Erde und dem Explosionsort aus.

Gammastrahlenausbrüche, auf Englisch Gamma-Ray Bursts (GRBs), erscheinen ohne Vorwarnung und dauern zwischen Bruchteilen einer Sekunde und mehreren Minuten. Um ihre hochenergetische Gammastrahlung zu beobachten, ist es nötig, Weltraumteleskope einzusetzen. Vor dreizehn Jahren entdeckten Astronomen allerdings, dass diese gewaltigen Explosionen auch weniger energiereiche Strahlung erzeugen, die dafür über viel längere Zeiträume beobachtbar ist: Dieses „Nachglühen“ des Gammastrahlenausbruchs kann mehrere Wochen bis Jahre andauern.

Während alle Gammastrahlenausbrüche [1] ein Nachglühen im Röntgenbereich aufweisen, wird nur etwa bei der Hälfte von ihnen auch sichtbares Licht beobachtet. Die übrigen GRBs bleiben in diesem Spektralbereich seltsamerweise unsichtbar. Einige Wissenschaftler haben daher vermutetet, 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 diese dunklen GRBs in extrem großer Entfernung stattfänden: Vorangegangene Untersuchungen hatten bereits den Verdacht geweckt, dass kosmischer Staub, der sich zwischen dem Ort des Ausbruchs und der Erde befindet, das Nachglühen abschwächen könnte.

“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“, erklärt Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching bei München, der Leiter der Studie.

Ende 2004 wurde der NASA-Satellit Swift ins All gestartet. Von seiner Umlaufbahn oberhalb der Erdatmosphäre aus kann er Gammastrahlenausbrüche direkt nachweisen. Ist ein Ausbruch festgestellt, übermittelt der Satellit dessen Position am Himmel sofort an andere Teleskope, die sofort Ausschau nach dem Nachglühen des GRBs halten. Für die jetzt veröffentlichte Studie haben Astronomen die Daten von Swift mit Beobachtungen mit dem GROND-Instrument [2] verknüpft, das speziell für die Beobachtung des Nachglühens von Gamma-Ray Bursts entwickelt wurde und am MPG/ESO 2,2 Meter-Teleskop auf La Silla in Chile eingesetzt wird. Auf diese Weise gelang es den Forschern, das Rätsel des optisch dunklen Nachglühens zu lösen.

Entscheidend für die Untersuchung des Nachglühens ist die Fähigkeit von GROND, im so genannten „Rapid Response Mode“ (wörtlich der „Schnelle-Reaktions-Modus“) innerhalb von wenigen Minuten nach der Entdeckung eines Bursts durch Swift mit den Beobachtungen beginnen zu können. GROND beobachtet gleichzeitig in sieben Filterbändern, die sowohl sichtbares als auch nahinfrarotes Licht abdecken.

Die Kombination der durch diese sieben Filter gewonnenen GROND-Daten mit den Swift-Beobachtungen ermöglichte es den Astronomen, das Nachglühen über weite Teile des elektromagnetischen Spektrums hinweg, nämlich von den Röntgenstrahlen bis zum Nahinfrarot, zu vermessen. Aus so umfassenden Messungen lässt sich direkt 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 [3].

Mit vergleichbar umfangreichen Sätzen an Beobachtungsdaten – sowohl von GROND als auch von anderen Großteleskopen einschließlich des Very Large Telescope der ESO – machten sich die Forscher daran, die Entfernungen nahezu aller Bursts in ihrer Beobachtungskampagne abzuschätzen. Wie sich ergab, wird das Nachglühen bei einem nennenswerten Anteil davon durch Staub auf etwa 60-80% der ursprünglichen Helligkeit abgeschwächt. Die so genannte kosmologische Rotverschiebung sehr ferner Ausbrüche verstärkt diesen Effekt, so dass einen Beobachter auf der Erde lediglich noch 30-50% des Lichtes erreicht [4]. 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.

“Verglichen mit vielen anderen Instrumenten an Großteleskopen ist GROND ein preiswertes und relativ einfaches Gerät. Dennoch war es in der Lage, das Rätsel der optisch dunklen Gamma-Ray Bursts endgültig aufzuklären“, schließt Greiner.

Endnoten

[1] Gammastrahlenausbrüche, die länger als zwei Sekunden dauern, bezeichnet man als lange Bursts, im Gegensatz zu den sogenannten kurzen Bursts. In der vorliegenden Studie wurden lange Bursts untersucht. Sie stehen in Zusammenhang mit den Supernovaexplosionen am Ende des Lebens massereicher und kurzlebiger Sterne in sternbildenden Galaxien. Die kurzen Bursts sind noch immer weitgehend unverstanden. Möglicherweise entstehen sie bei der Verschmelzung zweier kompakter Objekte, etwa Neutronensterne.

[2] Der Gamma-Ray Optical and Near-infrared Detector GROND (wörtlich das “Nachweisinstrument zur Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen im optischen und nahinfraroten Licht”) wurde am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching und unter Mitwirkung der Thüringer Landessternwarte Tautenburg entwickelt und gebaut. Seit August 2007 ist das Instrument im regulären Einsatz.

[3] Dunkle Gammastrahlenausbrüchen waren der Gegenstand mehrerer Studien anderer Wissenschaftlergruppen: Anfang 2010 beobachteten Astronomen mit dem Subaru-Teleskop einen einzelnen GRB. Aus den Ergebnissen leiteten sie die Hypothese ab, dass dunkle Gamma-Ray Bursts zu einer eigenständigen Objektklasse gehören, deren Vertreter durch einen eigenen charakteristischen Explosionsmechanismus entstehen könnten, etwa durch die Verschmelzung von Doppelsternen. Nach der Untersuchung von 14 Galaxien, in denen dunkle GRBs stattfanden, mit dem Keck-Teleskop aus dem letzten Jahr favorisierte eine andere Astronomengruppe aufgrund der niedrigen Rotverschiebungen dieser Bursts die Abschwächung durch Staub als Erklärung. In der neuen, hier vorgestellten Arbeit wurden 39 Ausbrüche – einschließlich knapp 20 dunkler Bursts – untersucht. Es handelt sich um die einzige Studie, in die keine vorherigen Abschätzungen eingingen, sondern die direkte Messungen der Staubmenge vornahm.

[4] Da das Licht des Nachglühens eines sehr weit entfernten Gamma-Ray Bursts durch die Expansion des Universums rotverschoben wird, war es zum Zeitpunkt seiner Aussendung blauer als es nun vom Detektor gemessen wird. Die Abschwächung durch Staub ist bei blauem und ultravioletten Licht stärker als bei rotem Licht. So verstärkt sich der Effekt der Staubabschwächung für weit entfernte Bursts. Aus dem gleichen Grund spielt die Fähigkeit von GROND, im nahen Infrarotbereich zu beobachten, eine so bedeutende Rolle spielt.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen am 16. Dezember 2010 unter dem Titel „The nature of "dark" gamma-ray bursts“ in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics.

Die beteiligten Wissenschaftler sind J. Greiner (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik [MPE]), T. Krühler (MPE, Universe Cluster, Technische Universität München), S. Klose (Thüringer Landessternwarte Tautenburg), P. Afonso (MPE), C. Clemens (MPE), R. Filgas (MPE), D.H. Hartmann (Clemson University, USA), A. Küpcü Yoldaº¸ (University of Cambridge, Großbritannien), M. Nardini (MPE), F. Olivares E. (MPE), A. Rau (MPE), A. Rossi (Thüringer Landessternwarte, Tautenburg), P. Schady (MPE) und A. Updike (Clemson University, USA)

Das MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop wurde 1984 in Betrieb genommen und ist eine Leihgabe der Max-Planck-Gesellschaft an die ESO.

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 14 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts, sowie VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO das European Extremely Large Telescope (E-ELT) für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, mit 42 Metern Spiegeldurchmesser ein Großteleskop der Extraklasse.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

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Weitere Informationen:
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