Gammablitz
In der Gammastrahlenastronomie sind Gammastrahlenausbrüche (GRBs) immens energiereiche Explosionen, die in weit entfernten Galaxien beobachtet wurden. Sie sind die energiereichsten und hellsten elektromagnetischen Ereignisse seit dem Urknall. Ausbrüche können zwischen zehn Millisekunden und mehreren Stunden dauern. Nach einem anfänglichen Gammastrahlenblitz wird in der Regel ein länger anhaltendes "Nachglühen" bei längeren Wellenlängen (Röntgenstrahlung, Ultraviolett, Optik, Infrarot, Mikrowellen und Radio) ausgesandt. ⓘ
Man nimmt an, dass die intensive Strahlung der meisten beobachteten GRBs während einer Supernova oder superleuchtenden Supernova freigesetzt wird, wenn ein massereicher Stern implodiert und einen Neutronenstern oder ein schwarzes Loch bildet. ⓘ
Eine Unterklasse von GRBs (die "kurzen" Ausbrüche) scheint aus der Verschmelzung von binären Neutronensternen zu stammen. Die Ursache für den Vorläuferausbruch, der bei einigen dieser kurzen Ereignisse beobachtet wird, könnte die Entwicklung einer Resonanz zwischen der Kruste und dem Kern solcher Sterne sein, die auf die massiven Gezeitenkräfte zurückzuführen ist, die in den Sekunden vor der Kollision auftreten und die gesamte Kruste des Sterns zum Zerbersten bringen. ⓘ
Die Quellen der meisten GRBs sind Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt, was bedeutet, dass die Explosionen sowohl extrem energiereich sind (ein typischer Ausbruch setzt in wenigen Sekunden so viel Energie frei wie die Sonne in ihrem gesamten 10-Milliarden-Jahre-Leben) als auch extrem selten (einige wenige pro Galaxie und Million Jahre). Alle beobachteten GRBs haben ihren Ursprung außerhalb der Milchstraße, obwohl eine verwandte Klasse von Phänomenen, die weichen Gamma-Repeater-Flares, mit Magnetaren innerhalb der Milchstraße in Verbindung gebracht werden. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass ein Gammastrahlenausbruch in der Milchstraße, der direkt auf die Erde gerichtet ist, ein Massenaussterben auslösen könnte. ⓘ
GRBs wurden erstmals 1967 von den Vela-Satelliten entdeckt, die zur Aufdeckung verdeckter Kernwaffentests entwickelt worden waren; nach einer gründlichen Analyse wurde dies 1973 veröffentlicht. Nach ihrer Entdeckung wurden Hunderte von theoretischen Modellen vorgeschlagen, um diese Ausbrüche zu erklären, z. B. Kollisionen zwischen Kometen und Neutronensternen. Bis zur Entdeckung der ersten Röntgen- und optischen Nachleuchter im Jahr 1997 und der direkten Messung ihrer Rotverschiebung mittels optischer Spektroskopie und damit ihrer Entfernungen und Energieabgabe standen nur wenige Informationen zur Verfügung, um diese Modelle zu überprüfen. Diese Entdeckungen und anschließende Untersuchungen der Galaxien und Supernovae, die mit den Ausbrüchen in Verbindung stehen, klärten die Entfernung und Leuchtkraft von GRBs und brachten sie endgültig in weit entfernte Galaxien. ⓘ
Gammablitze, Gammastrahlenblitze, Gammastrahlenausbrüche oder auch Gammastrahlenexplosionen (englisch gamma-ray bursts, oft abgekürzt GRB) sind Energieausbrüche sehr hoher Leistung im Universum, von denen große Mengen elektromagnetischer Strahlung ausgehen. ⓘ
Die Entstehung der Gammablitze ist noch nicht vollständig geklärt. Man beobachtete einen Gammablitz erstmals am 2. Juli 1967 mit den US-amerikanischen Vela-Überwachungssatelliten, die eigentlich zur Entdeckung oberirdischer Atombombentests dienten. Dass die Strahlen aus den Tiefen des Weltraums kamen, wurde erst 1973 durch Wissenschaftler im Los Alamos National Laboratory in New Mexico mit den Daten der Satelliten sicher festgestellt. ⓘ
Die Bezeichnung „Gammablitz“ hat sich wahrscheinlich eingebürgert, weil die Vela-Satelliten zur Detektion der Gammastrahlung von Kernwaffenexplosionen gedacht und ausgerüstet waren. Auch wird elektromagnetische Strahlung mit Photonenenergien im keV-Bereich und höher oft allgemein als Gammastrahlung bezeichnet, wenn ihre Quelle und Entstehung nicht bekannt ist. Um Gammastrahlung im engeren, kernphysikalischen Sinn handelt es sich bei den Gammablitzen nicht. ⓘ
Geschichte
Gammastrahlenausbrüche wurden erstmals Ende der 1960er Jahre von den amerikanischen Vela-Satelliten beobachtet, die gebaut wurden, um Gammastrahlungsimpulse aufzuspüren, die von im Weltraum getesteten Kernwaffen ausgesandt wurden. Die Vereinigten Staaten vermuteten, dass die Sowjetunion nach der Unterzeichnung des Atomteststoppvertrags im Jahr 1963 versuchen könnte, geheime Atomtests durchzuführen. Am 2. Juli 1967 um 14:19 UTC entdeckten die Satelliten Vela 4 und Vela 3 einen Gammastrahlungsblitz, der mit keiner bekannten Kernwaffensignatur vergleichbar war. Das Team des Los Alamos National Laboratory unter der Leitung von Ray Klebesadel war sich nicht sicher, was passiert war, hielt die Angelegenheit aber auch nicht für besonders dringlich und speicherte die Daten zur Untersuchung ab. Als weitere Vela-Satelliten mit besseren Instrumenten gestartet wurden, fand das Team in Los Alamos weiterhin unerklärliche Gammastrahlenausbrüche in ihren Daten. Durch die Analyse der unterschiedlichen Ankunftszeiten der Ausbrüche, die von den verschiedenen Satelliten erfasst wurden, konnte das Team grobe Schätzungen für die Himmelspositionen von 16 Ausbrüchen ermitteln und einen terrestrischen oder solaren Ursprung definitiv ausschließen. Entgegen der landläufigen Meinung wurden die Daten nie klassifiziert. Nach gründlicher Analyse wurden die Ergebnisse 1973 in einem Artikel im Astrophysical Journal mit dem Titel "Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin" veröffentlicht. ⓘ
Die meisten frühen Theorien über Gammastrahlenausbrüche gingen von nahen Quellen innerhalb der Milchstraße aus. Ab 1991 lieferten das Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) und sein Instrument Burst and Transient Source Explorer (BATSE), ein extrem empfindlicher Gammastrahlendetektor, Daten, die zeigten, dass die Verteilung von GRBs isotrop ist - also nicht in eine bestimmte Richtung im Raum ausgerichtet. Wenn die Quellen aus unserer eigenen Galaxie stammen würden, wären sie stark in oder nahe der galaktischen Ebene konzentriert. Das Fehlen eines solchen Musters bei GRBs ist ein starker Beweis dafür, dass die Gammastrahlenausbrüche von außerhalb der Milchstraße kommen müssen. Einige Modelle der Milchstraße stimmen jedoch immer noch mit einer isotropen Verteilung überein. ⓘ
Im Oktober 2018 berichteten Astronomen, dass GRB 150101B und GW170817, ein 2017 entdecktes Gravitationswellenereignis, möglicherweise durch denselben Mechanismus entstanden sind - die Verschmelzung von zwei Neutronensternen. Die Ähnlichkeiten zwischen den beiden Ereignissen in Bezug auf Gammastrahlen-, optische und Röntgenemissionen sowie die Art der zugehörigen Wirtsgalaxien sind "verblüffend", was darauf hindeutet, dass die beiden getrennten Ereignisse beide das Ergebnis der Verschmelzung von Neutronensternen sein könnten und dass es sich bei beiden um eine Kilonova handeln könnte, die im Universum möglicherweise häufiger vorkommt als bisher angenommen, so die Forscher. ⓘ
Die höchste Energie, die bei einem Gammastrahlenausbruch beobachtet wurde, lag bei einem Teraelektronenvolt, und zwar bei GRB 190114C im Jahr 2019. (Dies ist etwa tausendmal weniger Energie als das energiereichste Licht, das von irgendeiner Quelle beobachtet wurde, nämlich 1,4 Petaelektronenvolt im Jahr 2021). ⓘ
Gegenstücke als mögliche Quellen
Nach der Entdeckung von GRBs suchten Astronomen jahrzehntelang nach einem Gegenstück bei anderen Wellenlängen, d. h. nach jedem astronomischen Objekt, das in seiner Position mit einem kürzlich beobachteten Ausbruch übereinstimmt. Die Astronomen zogen viele verschiedene Klassen von Objekten in Betracht, darunter Weiße Zwerge, Pulsare, Supernovae, Kugelsternhaufen, Quasare, Seyfert-Galaxien und BL Lac-Objekte. Alle diese Suchen waren erfolglos, und in einigen wenigen Fällen konnten besonders gut lokalisierte Ausbrüche (deren Positionen mit einer für damalige Verhältnisse hohen Genauigkeit bestimmt wurden) eindeutig nachgewiesen werden, dass sie keine hellen Objekte enthielten, die mit der von den entdeckenden Satelliten ermittelten Position übereinstimmten. Dies deutete darauf hin, dass es sich entweder um sehr schwache Sterne oder um extrem weit entfernte Galaxien handelte. Selbst die genauesten Positionen enthielten zahlreiche schwache Sterne und Galaxien, und man war sich einig, dass zur endgültigen Klärung des Ursprungs der kosmischen Gammablitze sowohl neue Satelliten als auch eine schnellere Kommunikation erforderlich sein würden. ⓘ
Nachglühen
Mehrere Modelle für den Ursprung von Gammastrahlenausbrüchen gehen davon aus, dass auf den anfänglichen Gammastrahlenausbruch ein Nachleuchten folgt: eine langsam abklingende Emission bei längeren Wellenlängen, die durch Kollisionen zwischen dem Auswurf des Ausbruchs und interstellarem Gas entsteht. Frühe Versuche, dieses Nachleuchten zu finden, blieben erfolglos, vor allem weil es schwierig ist, die Position eines Ausbruchs bei längeren Wellenlängen unmittelbar nach dem ersten Ausbruch zu beobachten. Der Durchbruch gelang im Februar 1997, als der Satellit BeppoSAX einen Gammastrahlenausbruch (GRB 970228) entdeckte, und als die Röntgenkamera in die Richtung gerichtet wurde, aus der der Ausbruch gekommen war, entdeckte sie schwächer werdende Röntgenstrahlung. Das William-Herschel-Teleskop identifizierte 20 Stunden nach dem Ausbruch ein abklingendes optisches Gegenstück. Nachdem der GRB verblasst war, konnte mit Hilfe von Deep Imaging eine schwache, weit entfernte Wirtsgalaxie an der Stelle des GRB identifiziert werden, die durch das optische Nachleuchten lokalisiert wurde. ⓘ
Wegen der sehr schwachen Leuchtkraft dieser Galaxie konnte ihre genaue Entfernung mehrere Jahre lang nicht gemessen werden. Lange danach gelang mit dem nächsten von BeppoSAX registrierten Ereignis, GRB 970508, ein weiterer großer Durchbruch. Dieses Ereignis wurde innerhalb von vier Stunden nach seiner Entdeckung lokalisiert, so dass die Forschungsteams viel früher als bei allen vorherigen Ausbrüchen mit den Beobachtungen beginnen konnten. Das Spektrum des Objekts ergab eine Rotverschiebung von z = 0,835, womit sich der Ausbruch in einer Entfernung von etwa 6 Milliarden Lichtjahren von der Erde befand. Dies war die erste genaue Bestimmung der Entfernung zu einem GRB und bewies zusammen mit der Entdeckung der Wirtsgalaxie von 970228, dass GRBs in extrem weit entfernten Galaxien auftreten. Innerhalb weniger Monate wurde die Kontroverse über die Entfernungsskala beendet: GRBs waren extragalaktische Ereignisse, die in schwachen Galaxien in enormen Entfernungen entstanden. Im darauffolgenden Jahr wurde GRB 980425 innerhalb eines Tages von einer hellen Supernova (SN 1998bw) gefolgt, die zeitgleich stattfand, was auf einen klaren Zusammenhang zwischen GRBs und dem Tod sehr massereicher Sterne hindeutet. Dieser Ausbruch lieferte den ersten eindeutigen Hinweis auf die Natur der Systeme, die GRBs erzeugen. ⓘ
BeppoSAX war bis 2002 in Betrieb, und CGRO (mit BATSE) wurde im Jahr 2000 deorbiert. Die Revolution in der Erforschung von Gammastrahlenausbrüchen motivierte jedoch die Entwicklung einer Reihe zusätzlicher Instrumente, die speziell zur Erforschung der Natur von GRBs, insbesondere in den ersten Momenten nach der Explosion, entwickelt wurden. Die erste dieser Missionen, HETE-2, wurde im Jahr 2000 gestartet und war bis 2006 in Betrieb, wobei die meisten wichtigen Entdeckungen in dieser Zeit gemacht wurden. Eine der bisher erfolgreichsten Weltraummissionen, Swift, wurde 2004 gestartet und ist auch 2018 noch in Betrieb. Swift ist mit einem sehr empfindlichen Gammastrahlendetektor sowie mit Röntgenteleskopen und optischen Teleskopen an Bord ausgestattet, die schnell und automatisch geschwenkt werden können, um die Nachleuchterscheinungen nach einem Ausbruch zu beobachten. Vor kurzem wurde die Fermi-Mission mit dem Gamma-Ray Burst Monitor gestartet, der mehrere hundert Ausbrüche pro Jahr aufspürt, von denen einige hell genug sind, um mit dem Large Area Telescope von Fermi bei extrem hohen Energien beobachtet zu werden. In der Zwischenzeit wurden am Boden zahlreiche optische Teleskope gebaut oder modifiziert, um eine Robotersteuerungssoftware zu integrieren, die sofort auf Signale reagiert, die über das Gamma-ray Burst Coordinates Network gesendet werden. Dadurch können die Teleskope schnell auf einen GRB ausgerichtet werden, oft innerhalb von Sekunden nach Empfang des Signals und während die Gammastrahlenemission selbst noch andauert. ⓘ
Zu den neuen Entwicklungen seit den 2000er Jahren gehören die Anerkennung kurzer Gammastrahlenausbrüche als eigene Klasse (die wahrscheinlich von verschmelzenden Neutronensternen stammen und nicht mit Supernovae in Verbindung stehen), die Entdeckung ausgedehnter, unregelmäßiger Fackelaktivitäten bei Röntgenwellenlängen, die viele Minuten nach den meisten GRBs andauern, sowie die Entdeckung der leuchtkräftigsten (GRB 080319B) und der ehemals entferntesten (GRB 090423) Objekte im Universum. Der am weitesten entfernte bekannte GRB, GRB 090429B, ist jetzt das am weitesten entfernte bekannte Objekt im Universum. ⓘ
Klassifizierung
Die Lichtkurven von Gammastrahlenausbrüchen sind äußerst vielfältig und komplex. Keine zwei Lichtkurven von Gammastrahlenausbrüchen sind identisch, und es werden große Unterschiede in fast allen Eigenschaften beobachtet: Die Dauer der beobachteten Emission kann von Millisekunden bis zu Dutzenden von Minuten variieren, es kann einen einzigen Peak oder mehrere einzelne Subpulse geben, und einzelne Peaks können symmetrisch sein oder schnell aufleuchten und sehr langsam abklingen. Einigen Ausbrüchen geht ein "Vorläufer"-Ereignis voraus, ein schwacher Ausbruch, auf den dann (nach Sekunden bis Minuten ohne jegliche Emission) die viel intensivere "echte" Ausbruchsepisode folgt. Die Lichtkurven einiger Ereignisse weisen extrem chaotische und komplizierte Profile auf, in denen fast keine Muster zu erkennen sind. ⓘ
Obwohl einige Lichtkurven anhand bestimmter vereinfachter Modelle grob reproduziert werden können, wurden beim Verständnis der gesamten beobachteten Vielfalt nur geringe Fortschritte erzielt. Es wurden viele Klassifizierungsschemata vorgeschlagen, die jedoch oft nur auf Unterschieden im Aussehen der Lichtkurven beruhen und nicht immer einen echten physikalischen Unterschied in den Vorläufern der Explosionen widerspiegeln. Die Verteilung der beobachteten Dauer für eine große Anzahl von Gammastrahlenausbrüchen zeigt jedoch eine deutliche Bimodalität, die auf die Existenz zweier getrennter Populationen hindeutet: eine "kurze" Population mit einer durchschnittlichen Dauer von etwa 0,3 Sekunden und eine "lange" Population mit einer durchschnittlichen Dauer von etwa 30 Sekunden. Beide Verteilungen sind sehr breit gefächert und weisen eine erhebliche Überlappungsregion auf, in der die Identität eines bestimmten Ereignisses allein aufgrund der Dauer nicht eindeutig ist. Sowohl aus Beobachtungsgründen als auch aus theoretischen Erwägungen wurden weitere Klassen jenseits dieses zweistufigen Systems vorgeschlagen. ⓘ
Kurze Gammastrahlenausbrüche
Ereignisse mit einer Dauer von weniger als zwei Sekunden werden als kurze Gammastrahlenausbrüche klassifiziert. Sie machen etwa 30 % aller Gammastrahlenausbrüche aus, aber bis 2005 konnte kein Nachleuchten von kurzen Ereignissen nachgewiesen werden, und über ihren Ursprung war wenig bekannt. Seitdem wurden mehrere Dutzend kurze Gammastrahlenausbrüche entdeckt und lokalisiert, von denen mehrere mit Regionen ohne oder mit geringer Sternentstehung assoziiert sind, wie zum Beispiel große elliptische Galaxien und die zentralen Regionen großer Galaxienhaufen. Dies schließt eine Verbindung zu massereichen Sternen aus und bestätigt, dass sich kurze Ereignisse physikalisch von langen Ereignissen unterscheiden. Darüber hinaus gibt es keinen Zusammenhang mit Supernovae. ⓘ
Ursprünglich war die wahre Natur dieser Objekte unbekannt, und die führende Hypothese war, dass sie aus der Verschmelzung von binären Neutronensternen oder eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch stammen. Derartige Verschmelzungen sollen Kilonovae erzeugen, und es wurden Hinweise auf eine Kilonova im Zusammenhang mit GRB 130603B gefunden. Die mittlere Dauer dieser Ereignisse von 0,2 Sekunden deutet (aufgrund der Kausalität) auf eine Quelle mit einem für stellare Verhältnisse sehr kleinen physikalischen Durchmesser hin; weniger als 0,2 Lichtsekunden (etwa 60.000 km oder 37.000 Meilen - das Vierfache des Erddurchmessers). Die Beobachtung von minuten- bis stundenlangen Röntgenblitzen nach einem kurzen Gammastrahlenausbruch ist konsistent mit kleinen Teilchen eines primären Objekts wie eines Neutronensterns, die zunächst in weniger als zwei Sekunden von einem Schwarzen Loch verschluckt werden, gefolgt von einigen Stunden mit weniger energiereichen Ereignissen, da verbleibende Fragmente von gezeitenbedingt zerrissenem Neutronensternmaterial (kein Neutronium mehr) in der Umlaufbahn verbleiben, um über einen längeren Zeitraum in das Schwarze Loch zu stürzen. Ein kleiner Teil der kurzen Gammastrahlenausbrüche wird wahrscheinlich durch Riesenfackeln von weichen Gamma-Repeatern in nahen Galaxien erzeugt. ⓘ
Der Ursprung kurzer GRBs in Kilonovae wurde bestätigt, als der kurze GRB 170817A nur 1,7 Sekunden nach der Entdeckung der Gravitationswelle GW170817 entdeckt wurde, die ein Signal aus der Verschmelzung von zwei Neutronensternen war. ⓘ
Lange Gammastrahlenausbrüche
Die meisten beobachteten Ereignisse (70 %) haben eine Dauer von mehr als zwei Sekunden und werden als lange Gammastrahlenausbrüche eingestuft. Da diese Ereignisse den größten Teil der Population ausmachen und in der Regel das hellste Nachleuchten haben, wurden sie viel genauer beobachtet als ihre kurzen Gegenstücke. Fast jeder gut untersuchte lange Gammastrahlenausbruch wurde mit einer Galaxie mit schneller Sternentstehung und in vielen Fällen auch mit einer Kernkollaps-Supernova in Verbindung gebracht, wodurch lange GRBs eindeutig mit dem Tod massereicher Sterne in Verbindung gebracht werden. Beobachtungen des langen GRB-Nachleuchtens bei hoher Rotverschiebung deuten ebenfalls darauf hin, dass der GRB in Sternentstehungsgebieten entstanden ist. ⓘ
Ultralange Gammastrahlenausbrüche
Diese Ereignisse befinden sich am Ende der langen GRB-Dauerverteilung und dauern mehr als 10.000 Sekunden. Es wurde vorgeschlagen, dass sie eine eigene Klasse bilden, die durch den Kollaps eines blauen Überriesensterns, eine Gezeitenstörung oder einen neugeborenen Magnetar verursacht wird. Bisher wurde nur eine kleine Anzahl von ihnen identifiziert, deren Hauptmerkmal die Dauer ihrer Gammastrahlenemission ist. Zu den am besten untersuchten ultralangen Ereignissen gehören GRB 101225A und GRB 111209A. Die niedrige Entdeckungsrate könnte auf die geringe Empfindlichkeit der derzeitigen Detektoren für Ereignisse mit langer Emissionsdauer zurückzuführen sein und spiegelt nicht deren tatsächliche Häufigkeit wider. Eine Studie aus dem Jahr 2013 zeigt hingegen, dass die vorhandenen Beweise für eine separate ultralange GRB-Population mit einer neuen Art von Vorläufer nicht schlüssig sind und weitere Beobachtungen mit mehreren Wellenlängen erforderlich sind, um eine fundiertere Schlussfolgerung zu ziehen. ⓘ
Energetik und Strahlung
Gammastrahlenausbrüche sind von der Erde aus gesehen sehr hell, obwohl sie in der Regel sehr weit entfernt sind. Ein durchschnittlicher langer GRB hat einen bolometrischen Fluss, der mit dem eines hellen Sterns unserer Galaxie vergleichbar ist, trotz einer Entfernung von Milliarden von Lichtjahren (im Vergleich zu einigen zehn Lichtjahren bei den meisten sichtbaren Sternen). Der größte Teil dieser Energie wird in Form von Gammastrahlen freigesetzt, obwohl einige GRBs auch extrem leuchtstarke optische Gegenstücke haben. GRB 080319B zum Beispiel wurde von einem optischen Gegenstück begleitet, das mit einer sichtbaren Helligkeit von 5,8 seinen Höhepunkt erreichte, vergleichbar mit der Helligkeit der schwächsten mit bloßem Auge sichtbaren Sterne, trotz der Entfernung des Ausbruchs von 7,5 Milliarden Lichtjahren. Diese Kombination aus Helligkeit und Entfernung deutet auf eine extrem energiereiche Quelle hin. Unter der Annahme, dass die Gammastrahlenexplosion kugelförmig war, würde die Energie von GRB 080319B nur einen Faktor von zwei der Ruhemassenenergie der Sonne betragen (die Energie, die freigesetzt würde, wenn die Sonne vollständig in Strahlung umgewandelt würde). ⓘ
Man geht davon aus, dass es sich bei Gammastrahlenausbrüchen um hochkonzentrierte Explosionen handelt, bei denen der Großteil der Explosionsenergie in einem schmalen Strahl gebündelt wird. Die ungefähre Winkelbreite des Jets (d. h. der Grad der Streuung des Strahls) kann direkt durch Beobachtung der achromatischen "Jet-Breaks" in den Lichtkurven des Nachleuchtens abgeschätzt werden: eine Zeit, nach der das langsam abklingende Nachleuchten schnell zu verblassen beginnt, da der Jet langsamer wird und seine Strahlung nicht mehr so effektiv abgeben kann. Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Winkel des Jets zwischen 2 und 20 Grad schwankt. ⓘ
Da ihre Energie stark gebündelt ist, wird erwartet, dass die von den meisten Ausbrüchen ausgesandte Gammastrahlung die Erde verfehlt und nie entdeckt wird. Wenn ein Gammastrahlenausbruch auf die Erde gerichtet ist, bewirkt die Fokussierung seiner Energie entlang eines relativ schmalen Strahls, dass der Ausbruch viel heller erscheint, als es der Fall wäre, wenn seine Energie kugelförmig abgestrahlt würde. Berücksichtigt man diesen Effekt, so wird bei typischen Gammastrahlenausbrüchen eine tatsächliche Energiefreisetzung von etwa 1044 J beobachtet, was etwa 1/2000 einer Sonnenmasse (M☉) Energieäquivalent - was immer noch ein Vielfaches des Massenenergieäquivalents der Erde (etwa 5,5 × 1041 J) ist. Dies ist vergleichbar mit der Energie, die bei einer hellen Supernova vom Typ Ib/c freigesetzt wird, und liegt im Bereich der theoretischen Modelle. Sehr helle Supernovae wurden als Begleiterscheinung mehrerer der nächstgelegenen GRBs beobachtet. Zusätzliche Unterstützung für die Fokussierung des Ausstoßes von GRBs lieferten Beobachtungen starker Asymmetrien in den Spektren nahe gelegener Supernovae vom Typ Ic und Radiobeobachtungen, die lange nach den Ausbrüchen gemacht wurden, wenn ihre Jets nicht mehr relativistisch sind. ⓘ
Kurze (zeitlich begrenzte) GRBs scheinen aus einer Population mit niedrigerer Rotverschiebung (d. h. weniger weit entfernt) zu stammen und sind weniger hell als lange GRBs. Der Grad der Strahlung in kurzen Ausbrüchen wurde nicht genau gemessen, aber als Population sind sie wahrscheinlich weniger kollimiert als lange GRBs oder in einigen Fällen möglicherweise überhaupt nicht kollimiert. ⓘ
Vorläufer
Aufgrund der immensen Entfernung der meisten Gammastrahlenausbrüche von der Erde ist die Identifizierung der Vorläufer, also der Systeme, die diese Explosionen erzeugen, eine Herausforderung. Die Assoziation einiger langer GRBs mit Supernovae und die Tatsache, dass ihre Wirtsgalaxien schnell sternbildend sind, sind ein starker Beweis dafür, dass lange Gammastrahlenausbrüche mit massereichen Sternen verbunden sind. Der am weitesten akzeptierte Mechanismus für den Ursprung langer GRBs ist das Kollapsar-Modell, bei dem der Kern eines extrem massereichen, metallarmen und schnell rotierenden Sterns in den letzten Phasen seiner Entwicklung zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Materie in der Nähe des Sternkerns strömt in Richtung Zentrum und wirbelt zu einer Akkretionsscheibe mit hoher Dichte. Der Einfall dieser Materie in das Schwarze Loch treibt ein Paar relativistischer Jets entlang der Rotationsachse aus, die sich durch die Sternhülle schlagen und schließlich die Sternoberfläche durchbrechen und als Gammastrahlen ausstrahlen. Einige alternative Modelle ersetzen das Schwarze Loch durch einen neu gebildeten Magnetar, obwohl die meisten anderen Aspekte des Modells (der Kollaps des Kerns eines massereichen Sterns und die Bildung relativistischer Jets) gleich sind. ⓘ
Die nächstgelegenen Analoga der Sterne, die lange Gammastrahlenausbrüche erzeugen, sind wahrscheinlich die Wolf-Rayet-Sterne, extrem heiße und massereiche Sterne, die ihre Wasserstoffhülle größtenteils oder vollständig abgestoßen haben. Eta Carinae, Apep und WR 104 wurden als mögliche zukünftige Gammastrahlenausbrüche genannt. Es ist unklar, ob irgendein Stern in der Milchstraße die geeigneten Eigenschaften besitzt, um einen Gammastrahlenausbruch zu erzeugen. ⓘ
Das Modell des massereichen Sterns erklärt wahrscheinlich nicht alle Arten von Gammastrahlenausbrüchen. Es gibt starke Hinweise darauf, dass einige kurzzeitige Gammastrahlenausbrüche in Systemen ohne Sternentstehung und ohne massereiche Sterne auftreten, wie zum Beispiel in elliptischen Galaxien und Galaxienhalos. Die bevorzugte Theorie für den Ursprung der meisten kurzen Gammastrahlenausbrüche ist die Verschmelzung eines Doppelsternsystems, das aus zwei Neutronensternen besteht. Nach diesem Modell bewegen sich die beiden Sterne in einem Doppelsternsystem langsam spiralförmig aufeinander zu, da Gravitationsstrahlung Energie freisetzt, bis die Gezeitenkräfte die Neutronensterne plötzlich auseinanderreißen und sie zu einem einzigen Schwarzen Loch kollabieren. Der Einfall von Materie in das neue Schwarze Loch erzeugt eine Akkretionsscheibe und setzt einen Energiestoß frei, analog zum Kollapsar-Modell. Zahlreiche andere Modelle wurden vorgeschlagen, um kurze Gammastrahlenausbrüche zu erklären, darunter die Verschmelzung eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs, der akkretionsbedingte Kollaps eines Neutronensterns oder die Verdampfung primordialer Schwarzer Löcher. ⓘ
Eine alternative Erklärung, die von Friedwardt Winterberg vorgeschlagen wurde, besagt, dass bei einem Gravitationskollaps und beim Erreichen des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs alle Materie in einem Ausbruch von Gammastrahlung zerfällt. ⓘ
Gezeitenstörungsereignisse
Diese neue Klasse von GRB-ähnlichen Ereignissen wurde erstmals durch die Entdeckung von GRB 110328A durch die Swift Gamma-Ray Burst Mission am 28. März 2011 entdeckt. Dieses Ereignis hatte eine Gammastrahlendauer von etwa 2 Tagen, viel länger als selbst ultralange GRBs, und wurde im Röntgenlicht über viele Monate hinweg nachgewiesen. Es fand im Zentrum einer kleinen elliptischen Galaxie mit der Rotverschiebung z = 0,3534 statt. Es gibt eine anhaltende Debatte darüber, ob die Explosion das Ergebnis eines stellaren Kollapses oder eines Gezeitenzerfalls war, der von einem relativistischen Jet begleitet wurde, obwohl die letztere Erklärung weithin favorisiert wird. ⓘ
Eine solche Gezeitenstörung liegt vor, wenn ein Stern mit einem supermassereichen Schwarzen Loch in Wechselwirkung tritt, wobei der Stern zerfetzt wird und in einigen Fällen ein relativistischer Jet entsteht, der helle Gammastrahlung erzeugt. Das Ereignis GRB 110328A (auch als Swift J1644+57 bezeichnet) wurde ursprünglich durch die Zerrüttung eines Hauptreihensterns durch ein Schwarzes Loch mit der millionenfachen Masse der Sonne verursacht, obwohl später die Auffassung vertreten wurde, dass die Zerrüttung eines Weißen Zwerges durch ein Schwarzes Loch mit der zehntausendfachen Masse der Sonne wahrscheinlicher ist. ⓘ
Mechanismen der Emission
Die Art und Weise, wie Gammastrahlenausbrüche Energie in Strahlung umwandeln, ist nach wie vor schlecht verstanden, und bis 2010 gab es noch kein allgemein anerkanntes Modell für diesen Prozess. Jedes erfolgreiche Modell der GRB-Emission muss den physikalischen Prozess zur Erzeugung der Gammastrahlenemission erklären, der mit der beobachteten Vielfalt an Lichtkurven, Spektren und anderen Eigenschaften übereinstimmt. Eine besondere Herausforderung besteht darin, die sehr hohe Effizienz einiger Explosionen zu erklären: Einige Gammastrahlenausbrüche können bis zur Hälfte (oder mehr) der Explosionsenergie in Gammastrahlen umwandeln. Frühe Beobachtungen der hellen optischen Gegenstücke zu GRB 990123 und GRB 080319B, deren optische Lichtkurven Extrapolationen der Gammastrahlen-Lichtspektren waren, legten nahe, dass die inverse Compton-Streuung bei einigen Ereignissen der dominierende Prozess sein könnte. In diesem Modell werden bereits existierende niederenergetische Photonen von relativistischen Elektronen innerhalb der Explosion gestreut, wodurch sich ihre Energie um einen großen Faktor erhöht und sie in Gammastrahlen umgewandelt werden. ⓘ
Die Natur des längerwelligen Nachleuchtens (von Röntgenstrahlung bis Radio), das auf Gammastrahlenausbrüche folgt, ist besser verstanden. Die von der Explosion freigesetzte Energie, die nicht im Ausbruch selbst abgestrahlt wird, nimmt die Form von Materie oder Energie an, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen bewegt. Wenn diese Materie mit dem umgebenden interstellaren Gas kollidiert, erzeugt sie eine relativistische Schockwelle, die sich dann in den interstellaren Raum ausbreitet. Eine zweite Schockwelle, der umgekehrte Schock, kann sich zurück in die ausgestoßene Materie ausbreiten. Extrem energiereiche Elektronen innerhalb der Schockwelle werden durch starke lokale Magnetfelder beschleunigt und strahlen als Synchrotronstrahlung über den größten Teil des elektromagnetischen Spektrums ab. Dieses Modell hat sich im Allgemeinen als erfolgreich erwiesen, wenn es darum geht, das Verhalten vieler beobachteter Nachleuchter zu einem späten Zeitpunkt (im Allgemeinen Stunden bis Tage nach der Explosion) zu modellieren, obwohl es Schwierigkeiten gibt, alle Merkmale des Nachleuchtens sehr kurz nach dem Gammastrahlenausbruch zu erklären. ⓘ
Häufigkeit des Auftretens und mögliche Auswirkungen auf das Leben
Gammastrahlenausbrüche können schädliche oder zerstörerische Auswirkungen auf das Leben haben. Betrachtet man das Universum als Ganzes, so sind die sichersten Umgebungen für erdähnliches Leben die Regionen mit der geringsten Dichte in den Außenbezirken großer Galaxien. Unser Wissen über Galaxientypen und ihre Verteilung lässt darauf schließen, dass Leben, wie wir es kennen, nur in etwa 10 % aller Galaxien existieren kann. Darüber hinaus sind Galaxien mit einer Rotverschiebung von mehr als 0,5 für das Leben, wie wir es kennen, ungeeignet, da sie eine höhere Rate an GRBs aufweisen und stellar kompakt sind. ⓘ
Alle bisher beobachteten GRBs haben sich weit außerhalb der Milchstraße ereignet und waren für die Erde harmlos. Sollte sich jedoch ein GRB innerhalb der Milchstraße in einem Umkreis von 5.000 bis 8.000 Lichtjahren ereignen und seine Emission direkt auf die Erde gerichtet sein, könnten die Auswirkungen schädlich sein und möglicherweise verheerende Folgen für die Ökosysteme der Erde haben. Gegenwärtig wird von Satelliten in der Umlaufbahn im Durchschnitt etwa ein GRB pro Tag entdeckt. Der nächstgelegene beobachtete GRB war im März 2014 GRB 980425 in 40 Megaparsec (130.000.000 ly) Entfernung (z=0,0085) in einer Zwerggalaxie vom Typ SBc. GRB 980425 war weit weniger energiereich als der durchschnittliche GRB und stand in Verbindung mit der Supernova SN 1998bw vom Typ Ib. ⓘ
Es ist schwierig, die genaue Häufigkeit des Auftretens von GRBs abzuschätzen; für eine Galaxie, die ungefähr so groß ist wie die Milchstraße, können die Schätzungen der erwarteten Häufigkeit (für lang andauernde GRBs) von einem Ausbruch alle 10.000 Jahre bis zu einem Ausbruch alle 1.000.000 Jahre reichen. Nur ein kleiner Prozentsatz davon würde auf die Erde gestrahlt werden. Schätzungen der Häufigkeit von GRBs kurzer Dauer sind aufgrund des unbekannten Grades der Kollimation noch unsicherer, aber wahrscheinlich vergleichbar. ⓘ
Da man davon ausgeht, dass GRBs entlang zweier Jets in entgegengesetzte Richtungen abgestrahlt werden, wären nur Planeten in der Bahn dieser Jets der hochenergetischen Gammastrahlung ausgesetzt. ⓘ
Obwohl nahe GRBs, die die Erde mit einem zerstörerischen Schauer von Gammastrahlen treffen, nur hypothetische Ereignisse sind, wurden hochenergetische Prozesse in der gesamten Galaxie beobachtet, die die Erdatmosphäre beeinflussen. ⓘ
Auswirkungen auf die Erde
Die Erdatmosphäre absorbiert hochenergetische elektromagnetische Strahlung wie Röntgen- und Gammastrahlen sehr effektiv, so dass diese Strahlungsarten während des Ausbruchs selbst keine gefährlichen Werte an der Erdoberfläche erreichen würden. Die unmittelbare Auswirkung eines GRB innerhalb weniger Kiloparsec auf das Leben auf der Erde wäre nur ein kurzer Anstieg der ultravioletten Strahlung am Boden, der weniger als eine Sekunde bis zu einigen Dutzend Sekunden dauern würde. Diese ultraviolette Strahlung könnte je nach Art und Entfernung des Ausbruchs gefährliche Werte erreichen, aber es scheint unwahrscheinlich, dass sie eine globale Katastrophe für das Leben auf der Erde verursachen könnte. ⓘ
Die langfristigen Auswirkungen eines nahen Ausbruchs sind gefährlicher. Gammastrahlen verursachen in der Atmosphäre chemische Reaktionen zwischen Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen, wobei zunächst Stickstoffoxid und dann Stickstoffdioxid entsteht. Die Stickoxide verursachen gefährliche Auswirkungen auf drei Ebenen. Erstens führen sie zu einem Abbau des Ozons, der laut Modellen weltweit 25-35 % und an bestimmten Orten sogar 75 % betragen kann, eine Wirkung, die jahrelang anhalten würde. Diese Verringerung reicht aus, um einen gefährlich hohen UV-Index an der Erdoberfläche zu verursachen. Zweitens verursachen die Stickoxide photochemischen Smog, der den Himmel verdunkelt und Teile des Sonnenlichtspektrums ausblendet. Dies würde die Photosynthese beeinträchtigen, doch zeigen Modelle nur eine Verringerung des gesamten Sonnenlichtspektrums um etwa 1 %, die einige Jahre anhält. Der Smog könnte jedoch möglicherweise eine Abkühlung des Erdklimas bewirken und einen "kosmischen Winter" hervorrufen (ähnlich wie ein Impaktwinter, aber ohne Auswirkungen), allerdings nur, wenn er gleichzeitig mit einer globalen Klimainstabilität auftritt. Drittens würde der erhöhte Stickstoffdioxidgehalt in der Atmosphäre ausgewaschen und zu saurem Regen führen. Salpetersäure ist für eine Reihe von Organismen giftig, darunter auch für Amphibien, aber Modelle sagen voraus, dass sie keine Werte erreichen würde, die ernsthafte globale Auswirkungen hätten. Die Nitrate könnten sogar für einige Pflanzen von Nutzen sein. ⓘ
Alles in allem wird ein GRB innerhalb von einigen Kiloparsec, dessen Energie auf die Erde gerichtet ist, das Leben hauptsächlich durch die Erhöhung der UV-Werte während des Ausbruchs selbst und für einige Jahre danach schädigen. Modelle zeigen, dass die zerstörerischen Auswirkungen dieses Anstiegs bis zum 16-fachen des normalen Niveaus an DNA-Schäden führen können. Es hat sich als schwierig erwiesen, eine zuverlässige Bewertung der Folgen für das terrestrische Ökosystem vorzunehmen, da die biologischen Feld- und Labordaten zu unsicher sind. ⓘ
Hypothetische Auswirkungen auf die Erde in der Vergangenheit
GRBs, die nahe genug sind, um das Leben in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen, könnten etwa alle fünf Millionen Jahre auftreten - etwa tausend Mal seit Beginn des Lebens auf der Erde. ⓘ
Die großen ordovizisch-silurischen Aussterbeereignisse vor 450 Millionen Jahren könnten durch einen GRB verursacht worden sein. Die Trilobitenarten aus dem späten Ordovizium, die einen Teil ihres Lebens in der Planktonschicht nahe der Meeresoberfläche verbrachten, waren viel stärker betroffen als die Tiefseebewohner, die sich eher in recht begrenzten Gebieten aufhielten. Dies steht im Gegensatz zu dem üblichen Muster von Aussterbeereignissen, bei denen Arten mit weiter verbreiteten Populationen in der Regel besser abschneiden. Eine mögliche Erklärung ist, dass Trilobiten, die in tiefen Gewässern leben, besser vor der erhöhten UV-Strahlung eines GRB geschützt sind. Für diese Hypothese spricht auch die Tatsache, dass im späten Ordovizium wühlende Muschelarten seltener ausstarben als Muscheln, die an der Oberfläche lebten. ⓘ
Es wird vermutet, dass die Kohlenstoff-14-Spitze von 774-775 das Ergebnis eines kurzen GRB war, aber auch eine sehr starke Sonneneruption ist eine Möglichkeit. ⓘ
Eventuell ist sogar eines der größten Massenaussterben der Erdgeschichte durch einen Gammablitz in der Milchstraße ausgelöst worden. Beispielsweise wird über ein Ereignis vor 443 Millionen Jahren (Ende des Ordoviziums) spekuliert. Infolge eines Gammablitzes wäre die UV-Strahlung der Sonne nach Zerstörung der Ozonschicht ungehindert in die obersten Wasserschichten der Urozeane eingedrungen. Dort könnten Organismen, die nahe der Wasseroberfläche lebten, abgetötet worden sein (Landlebewesen gab es zu dieser Zeit noch nicht). Als Indiz für ein solches Szenario wird angeführt, dass am Ende des Ordoviziums viele nahe der Wasseroberfläche lebende Trilobiten ausstarben. ⓘ
GRB-Kandidaten in der Milchstraße
In unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, wurden bisher keine Gammastrahlenausbrüche beobachtet, und die Frage, ob es jemals einen gegeben hat, ist nach wie vor ungelöst. Angesichts des sich entwickelnden Verständnisses von Gammastrahlenausbrüchen und ihren Vorläufern verzeichnet die wissenschaftliche Literatur eine wachsende Zahl von lokalen, vergangenen und zukünftigen GRB-Kandidaten. Langdauernde GRBs sind mit superluminalen Supernovae oder Hypernovae verwandt, und es wird angenommen, dass die meisten leuchtenden blauen Variablen (LBVs) und schnell rotierenden Wolf-Rayet-Sterne ihren Lebenszyklus in Kernkollaps-Supernovae mit einem damit verbundenen langdauernden GRB beenden. Das Wissen über GRBs stammt jedoch von metallarmen Galaxien aus früheren Epochen der Entwicklung des Universums, und es ist unmöglich, direkt auf weiter entwickelte Galaxien und stellare Umgebungen mit höherer Metallizität, wie die Milchstraße, zu extrapolieren. ⓘ
Vorausbruch
Ungefähr 15 Prozent aller Gamma Ray Bursts zeigen einen oder mehrere Vorläufer (precursors). Dabei handelt es sich um bis zu 100 Sekunden vor dem Hauptausbruch auftretende Gammastrahlung mit etwa 100-mal schwächerer Leuchtkraft. Vor der Haupteruption folgt meistens eine Phase, in der keine Strahlung nachgewiesen wird. Das Spektrum entspricht dem des Hauptausbruchs. Wenn mehrere Precursors beobachtet werden, liegen zwischen ihnen jeweils Ruhephasen von rund 10 Sekunden. ⓘ
Spektrum
Die Strahlung zeigt ein kontinuierliches Spektrum mit Photonenenergien von weniger als 1 keV bis in den MeV-Bereich. Die meisten Spektren lassen sich durch eine Unterteilung in zwei Bereiche beschreiben. Im Bereich niedriger Energien bis zu einigen hundert keV (je nach GRB) nimmt mit zunehmender Energie der Photonen ihre Häufigkeit exponentiell ab. Im Bereich hoher Energien folgt die weitere Abnahme der Häufigkeiten einer Hyperbel. Wegen der weit ausgedehnten Skala der vorkommenden Energien unterscheiden sich die Häufigkeiten für die einzelnen Kanäle um viele Zehnerpotenzen. Daher ist eine lineare Darstellung des gesamten Spektrums in einem Diagramm nicht sinnvoll. Besser wird eine Leistungsgröße (Häufigkeit · Energie²) über der Energie doppelt logarithmisch aufgetragen. In dieser Darstellung zeigt sich für die meisten Spektren ein Maximum, nämlich bei derjenigen Photonenenergie, bei der die größte Leistung empfangen wurde. Diese Peak-Energie ist charakteristisch für den Gammablitz und liegt im Mittel der von BATSE untersuchten Gammablitze bei 250 keV. ⓘ
Das genaue phänomenologische Modell für das kontinuierliche Spektrum ist:
![{\displaystyle N(E)\sim {\begin{cases}{E^{\alpha }\exp \left({-{\frac {E}{E_{0}}}}\right)},&{\text{für }}E\leq (\alpha -\beta )E_{0}\ \\{\left[{\left({\alpha -\beta }\right)E_{0}}\right]^{\left({\alpha -\beta }\right)}E^{\beta }\exp \left({\beta -\alpha }\right)},&{\text{für }}E>(\alpha -\beta )E_{0}\ \end{cases}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f12d587fc35e1f68d7b84989dfff7ab68ee9b9e3)
- und sind freie Parameter;
- ist mit der Peak-Energie über verknüpft. ⓘ
Für und ergibt sich:
Dem Kontinuum sind schwache einzelne Spektrallinien überlagert, die allerdings stark dopplerverbreitert sind. Solche Linien auf dem kontinuierlichen Spektrum geben Einblick in die physikalischen Prozesse der Entstehung der Strahlung. Die starke Blauverschiebung bedeutet, dass sich das Explosionsmaterial mit hochrelativistischer Geschwindigkeit auf den Beobachter zubewegt. Die Dopplerverbreiterung ergibt sich aus der starken thermischen Bewegung aufgrund der hohen Temperatur des emittierenden Materials. ⓘ
Das Spektrum ist während der Dauer des GRB nicht konstant, lässt sich aber zu allen Zeiten mit den gleichen oben genannten Funktionen annähern, nur die Parameter ändern sich zeitlich. Im Allgemeinen nimmt die Peak-Energie und damit die Härte des Spektrums während der Dauer des Gammablitzes ab, kann aber im Verlauf des Blitzes bei Intensitätsschüben auch wieder kurz ansteigen. ⓘ
Spekulationen über die Folgen naher Gammablitze
Möglicher Mechanismus
Der unmittelbare, sofortige Schaden durch einen Gammablitz, der direkt auf die Erde gerichtet ist, wäre nach den Ergebnissen einer Studie begrenzt, da Gammablitze meist nur kurz sind und ein großer Teil der Gammastrahlen den Erdboden nicht erreicht. Gammastrahlung wird in der Atmosphäre absorbiert, wobei unter anderem Stickoxid entsteht. Auch wäre die vom Gammablitz abgewandte Erdseite von dem Gammablitz nicht sofort betroffen, da die Gammastrahlung den Planeten nicht durchdringen kann. Ein ausreichend naher Gammablitz bildet aber so viel Stickoxid in der Atmosphäre, dass die Ozonschicht schwer geschädigt würde. Das könnte auch die unberührte Erdseite stark beeinflussen. ⓘ
Zukünftige Gefahren
Eine Gruppe von Wissenschaftlern an der Ohio State University wurde beauftragt herauszufinden, welche Konsequenzen der Treffer eines in der Nähe (ca. 500 Lichtjahre) entstehenden Gammablitzes auf die Erde hätte. Die Untersuchung sollte auch helfen, Massenaussterben auf der Erde zu klären und die Wahrscheinlichkeit von extraterrestrischem Leben einschätzen zu können. Im Ergebnis vermuten Wissenschaftler, dass ein Gammablitz, der in der Nähe unseres Sonnensystems entsteht und die Erde trifft, ein Massensterben auf dem gesamten Planeten auslösen könnte. Die zu erwartende schwere Schädigung der Ozonschicht würde die globale Nahrungsmittelversorgung zusammenbrechen lassen sowie zu langanhaltenden Veränderungen des Klimas und der Atmosphäre führen. Das würde ein Massenaussterben auf der Erde bewirken und die Weltbevölkerung auf beispielsweise 10 % ihres jetzigen Wertes schrumpfen lassen. ⓘ
Der Schaden durch einen Gammablitz wäre deutlich höher als der durch eine Supernova, die sich in gleicher Entfernung wie der Gammablitz ereignet. Gammablitze jenseits von 3.000 Lichtjahren stellen nach der Studie keine Gefahr dar. ⓘ