Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Wojciech Hajdas mit sogenannten Szintillationsstäben, die in dieser Form auch im POLAR-Detektor verbaut wurden. Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Sie leuchten in weiter Ferne kurz und extrem hell auf: Rund ein Mal pro Tag können Forschende sogenannte Gammablitze aus den Tiefen des Alls beobachten. Die Lichtblitze geschehen dabei – daher der Name – im hochenergetischen Bereich der Gammastrahlung. Sie stossen dabei in wenigen Sekunden mehr Energie aus als die Sonne in Milliarden von Jahren. Was jedoch ihr Ursprung ist, ist bislang noch weitgehend unklar.

Um in dieser Frage weiterzukommen, hat ein internationales Team von Forschenden nun eine bestimmte Eigenschaft dieser Lichtblitze vermessen: ihren Polarisationsgrad.

Licht breitet sich als Wellen aus; der Polarisationsgrad gibt an, ob die Lichtwellen einer Quelle parallel zueinander schwingen – dies wäre ein hoher Polarisationsgrad – oder ob sie kreuz und quer zueinander schwingen – dann wäre dieser Wert gering.

Die nun veröffentlichten Ergebnisse der Forschenden zeigen: Gammablitze haben einen vergleichsweise niedrigen Polarisationsgrad. Zudem beobachteten die Forschenden Hinweise auf eine Veränderung des Polarisationswinkels – also der Ausrichtung dieser geringen Polarisation – über den Verlauf einzelner Gammablitze hinweg.

Theorien zu Gammablitzen aussortieren

Die verschiedenen bisherigen Theorien zur Entstehung von Gammablitzen führen zur Vorhersage verschieden hoher Polarisationsgrade. Dabei kommen als Ursprung eines Gammablitzes unter anderem der Kollaps eines massereichen Sterns zu einem Schwarzen Loch in Betracht, das Verschmelzen zweier Neutronensterne, eine spezielle Sorte Supernova und eine Reihe ähnlich energie- und massereicher Vorgänge.

„Dank unserer Daten werden sich wohl manche dieser Theorien zu den Ursprungsmechanismen ausschliessen lassen“, so Wojciech Hajdas vom Paul Scherrer Institut PSI, der massgeblich an der Entwicklung des Instruments POLAR beteiligt war, das die neuen Messdaten geliefert hat.

POLAR ist ein hochmoderner Detektor, den PSI-Forschende um Hajdas gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Genf und des chinesischen Instituts für Hochenergiephysik (Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, IHEP-CAS) entwickelt hatten.

Im September 2016 war das Gerät an Bord der jüngsten chinesischen Raumstation – der „Tiangong 2“ – in den Orbit der Erde befördert worden. Von dort aus hatte POLAR Daten gesammelt, indem das Licht der Gammablitze mittels 1600 spezieller Kunststoffstäbe aufgefangen, weitergeleitet und analysiert wurde. Der Flug ins All war entscheidend für das Projekt, denn vom Erdboden aus verhindert die Erdatmosphäre eine genaue Messung des Polarisationsgrades.

Sowohl das Konzept des POLAR-Detektorsystems als auch die Elektronik wurden massgeblich am PSI entwickelt. Die Signalauslesemodule und der Zentralcomputer von POLAR wurden dann am PSI hergestellt und getestet. Zusätzlich entwickelten die Forschenden eine eigene Software für die Bearbeitung der Daten.

Um POLAR vor seinem Einsatz zu kalibrieren, nutzten die Wissenschaftler die Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI sowie der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble.

Das Zürcher Unternehmen Art of Technology fertigte die Netzteile für POLAR an. An der Universität Genf wurden die Kunststoffstäbe, die Mechanik sowie das Gehäuse gebaut und dann die Komponenten von POLAR zusammengesetzt.

Das virtuelle PSI POLAR Data Center

Insgesamt konnte POLAR mehrere Dutzend Ereignisse registrieren, von denen das internationale Forschungsteam nun die fünf aussagekräftigsten Gammablitze ausgewertet hat. Auf der virtuellen Plattform PSI POLAR Data Center stellen die PSI-Forschenden zudem die Daten aller registrierten Ereignisse der Forschungsgemeinde zur Verfügung.

Da etliche der von POLAR vermessenen Gammablitze zusätzlich von weiteren Detektoren weltweit beobachtet wurden, dient die Plattform unter anderem dazu, dass Forschende hier ihre jeweiligen Datensätze abgleichen.

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 390 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Wojciech Hajdas
Labor für Teilchenphysik
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 42 12
E-Mail: wojtek.hajdas@psi.ch

Detailed polarization measurements of the prompt emission of five Gamma-Ray Bursts
S.-N. Zhang, M. Kole, T.-W. Bao, T. Batsch, T. Bernasconi, F. Cadoux, J.-Y. Chai, Z.-G. Dai, Y.-W. Dong, N. Gauvin, W. Hajdas, M.-X. Lan, H.-C. Li, L. Li, Z.-H. Li, J.-T. Liu, X. Liu, R. Marcinkowski, N. Produit, S. Orsi, M. Pohl, D. Rybka, H.-L. Shi, L.-M. Song, J.-C. Sun, J. Szabelski, T. Tymieniecka, R.-J. Wang, Y.-H. Wang, X. Wen, B.-B. Wu, X. Wu, X.-F. Wu, H.-L. Xiao, S.-L. Xiong, L.-Y. Zhang, L. Zhang, X.-F. Zhang, Y.-J. Zhang and A. Zwolinska
Nature Astronomy 14. Januar 2019 (online)
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41550-018-0664-0

http://psi.ch/fD1P – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI

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Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann idw - Informationsdienst Wissenschaft

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