Die Episode über die energiereichste Strahlung im Universum und ihre Detektion: Gamma-Astronomie

CL030 - Gammablitze, sterbende Materie und Teilchen mit Überlichtgeschwindigkeit

Die Episode über die energiereichste Strahlung im Universum und ihre Detektion: Gamma-Astronomie

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Einleitung

Nachdem sich Eva und Jana in Folge 28 unter anderem auch über Radioastronomie (also das Beobachten der langwelligsten Strahlung im elektromagnetischen Spektrum) unterhalten haben, werfen sie dieses Mal einen Blick auf das andere Ende des Spektrums: die Gamma-Strahlung bzw. die Gamma-Astronomie. Hier werden explosive Ereignisse wie Hypernovae und Gammablitze untersucht und die Frage geklärt, ob solche Ausbrüche für die Menschheit gefährlich werden könnten.

News von Beteigeuze

Bevor es los geht hat Eva News von ihrem Lieblingsstern Beteigeuze, der wieder einmal für Schlagzeilen gesorgt hat: mit einem rasanten Rotationstempo von 5km/s (=18.000 km/h) dreht er sich nämlich viel zu schnell für einen Roten Überriesen seiner Größe!
Zumindest kamen Forscher*innen immer wieder zu dem Ergebnis. Ein neue Studie von Jing-Ze Ma u.a. vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching ist nun zu einer anderen Schlußfolgerung gekommen: Die Oberfläche des Sterns Beteigeuze ist von starken Konvektionsströmungen geprägt, die große Blasen von auf- und absteigendem Plasma verursachen. Diese Aktivität lässt die Oberfläche brodeln und kann so intensiv sein, dass die Plasmablasen einen großen Teil der sichtbaren Oberfläche einnehmen. Die schnellen Bewegungen dieser Blasen können zu einer Rot- und Blauverschiebung der Radiostrahlung führen, was auf ein bipolares Geschwindigkeitsfeld hindeutet, bei dem sich ein Teil des Plasmas von uns weg und ein anderer auf uns zu bewegt.
Diese Konvektionsströmungen könnten durch ein Teleskop fälschlicherweise als schnelle Rotation des Sterns interpretiert werden - wie Ma und seine Kolleg:innen mittels 3D-Simulationen zeigen konnten.
Die tatsächliche Rotationsgeschwindigkeit von Beteigeuze bleibt unklar. Es könnte allerdings auch sein, dass der Stern mit einem Begleitstern verschmolzen ist und daher tatsächlich schneller rotiert als üblich.

Das Paper kann man hier lesen: Jing-Ze Ma et al.: Is Betelgeuse Really Rotating? Synthetic ALMA Observations of Large-scale Convection in 3D Simulations of Red Supergiants

Gammastrahlung

Gammastrahlung ist die energiereichste Form elektromagnetischer Strahlung (mit Photonen über 100 keV; rund 100 000 Mal energiereicher als optisches Licht). Sie entsteht vor allem beim Zerfall radioaktiver Elemente und kann selbst durch dicke Bleiwände kaum abgeschirmt werden, wobei sie das Erbgut von Zellen schädigen und Strahlenkrankheit auslösen kann.

Im Gegensatz dazu besteht Alphastrahlung aus Heliumkernen, die schon durch Papier blockiert werden und nur bei Einatmen oder Verzehr gefährlich sind. Betastrahlung, aus Elektronen oder Positronen bestehend, wird durch Materialien wie Glas abgeschirmt und kann bei Kontakt Verbrennungen oder Krebs verursachen.

Gammastrahlung spielte auch eine Rolle beim Unfall in Tschernobyl. Maßgeblich für die Strahlenbelastung ist hier der Zerfall von Cäsium-137. So wird es zusammen mit Strontium-90 für die nächsten paar hundert Jahre die Zone um Tschernobyl herum verseuchen.

Gammastrahlung im Universum

Im Universum gibt es neben den berühmten Gammablitzen auch noch weitere spannende Gammaquellen, unabhängig vom radioaktiven Zerfall: aktive schwarze Löcher in Galaxienkerne (“Todesschrei der Materie”), Super- und Hypernovae (extrem energiereiche Supernovae, wird z.B. von Eta Carinae, der 100 Sonnenmassen hat, erwartet), heiße Gaswolken, Sonnenausbrüche und auch möglicherweise die Annihilation von Dunkler Materie.
Mit dem Begriff der kosmischen Strahlung hingegen sind meistens hochenergetische Teilchen gemeint und keine elektromagnetische Strahlung.

Die Beobachtung von Objekten in unterschiedlichen Wellenlängen bringt viele Vorteile und einen erheblichen Erkenntnisgewinn, wie hier am Beispiel vom Krebsnebel sehr anschaulich zu sehen ist.

Bild: CC-BY-SA 3.0, Hunster, NASA, NRAO/AUI, JPL, ESA

Wir sind auf der Erde gut gegen die schädliche hochenergetische Strahlung durch die Atmosphäre geschützt. Das macht es aber auch schwierig, Gammastrahlen aus dem Kosmos zu beobachten, denn unsere Luftschicht schluckt sie praktisch komplett. Die ersten Gammastrahlen aus dem Kosmos wurden in den 1960ern mit dem Satelliten Explorer 11 der USA (entwickelt unter der Leitung von Wernher von Braun) beobachtet.

Die meisten Weltall-Teleskope sind allerdings auf andere Wellenlängenbereiche spezialisiert, wie Infrarot oder optisches Licht. Das liegt daran, dass Gammastrahlen durch ihre extrem hohe Energie schwierig zu detektieren sind. Es braucht gesonderte Instrumente mit sehr hoher Energieauflösung.
Das Fermi Gamma Ray Space Telescope der NASA ist seit 2008 im Einsatz und ein Beispiel für einen direkten Gammastrahlen-Detektor im Weltall. Es kann Strahlung bis zu 300 GeV beobachten.

Die stärksten jemals beobachteten Gammablitze können allerdings Energien bis zu mindestens 1 TeV erreichen. Das ist etwa eine Billion mal mehr Energie als bei Photonen im optischen Bereich. Gerade am oberen Ende kommen die direkten Detektoren an ihre Grenzen. Wie konnte man also trotzdem solche Energien beobachten?

Es gibt einen Trick: die blaue Tscherenkow-Strahlung kommt uns hier zur Hilfe!

Tscherenkow-Strahlung und -Teleskope

Licht verlangsamt sich in Medien wie Luft oder Wasser gegenüber seiner Vakuumgeschwindigkeit von 300.000 km/s, im Wasser sogar um 25%.

Dies liegt an der Wechselwirkung der Photonen mit den Molekülen des Mediums, wobei Energie absorbiert und wieder emittiert wird. Die elektrischen und magnetischen Felder des Lichts interagieren mit denen der Moleküle, was den Lichtdurchgang erschwert.

Bei Überlichtgeschwindigkeit eines geladenen Teilchens im Medium entsteht Tscherenkow-Strahlung durch konstruktive Interferenz der emittierten Lichtwellen.
Diese entsteht also, wenn sich sehr energiereiche geladene Teilchen in einem Medium mit dortiger Überlichtgeschwindigkeit bewegen (natürlich kann sich nichts schneller als das Licht im Vakuum bewegen, aber schneller als Licht in bestimmten Medien eben schon). Z.B. kommt sie vor in AKWs, wo Wasser als Moderator dient und hochenergetischen Elektronen der Kernspaltung rumrasen.

Aber was hat das nun mit Gammablitzen im Kosmos zu tun?

Gammastrahlen aus dem Kosmos treffen auf die Erdatmosphäre und werden dort absorbiert. Dabei entstehen schnelle, geladene Sekundärteilchen, die sich schneller als Licht durch die Atmosphäre bewegen und Tscherenkow-Strahlung auslösen. Diese ermöglicht es, kosmische Gammastrahlenausbrüche indirekt zu beobachten und Rückschlüsse auf deren Ursprung zu ziehen. Das MAGIC Teleskop auf La Palma hat so den starken Gammablitz GRB 190114C mit einer Energie von 1 TeV beobachtet. Zukünftig soll das Cherenkov Telescope Array (CTA) in Spanien und Chile diese Forschung weiterführen.

Gammablitze und ihre Entstehung

In den letzten 50 Jahren haben Teleskope unser Wissen über die Entstehung von Gammablitzen erweitert: besonders massereiche Sterne über 20 Sonnenmassen (oder zwei kollidierende Neutronensterne) kollabieren bei ihrem Tod zu einem schwarzen Loch, das schnell rotiert. Das umgebende Gas formt eine Akkretionsscheibe um das schwarze Loch und heizt sich durch die Reibung stark auf. Sie gewinnen so viel Energie, dass Gasjets ausgestoßen werden. Dort werden die Teilchen so enorm beschleunigt, dass sie zu Gammastrahlung werden: ein Gammablitz entsteht.

Obwohl Gammablitze bislang nur in fernen Galaxien beobachtet wurden, könnte ein naher Gammablitz die Erde theoretisch sterilisieren. Es wird spekuliert, dass solche Ereignisse massives Aussterben verursachen und die Bewohnbarkeit im Universum einschränken könnten. Zum Glück sind die täglichen Gammablitze, von denen die Erde getroffen wird, zu weit entfernt, um Schaden anzurichten.

Mehr dazu kann man in "Gammablitze: Tödliches Licht explodierender Sterne" auf Spektrum.de lesen.

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