SWIFT
Ein Burst und zwei Erklärungen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
astronews.com
1. Dezember 2011

Am ersten Weihnachtstag des vergangenen Jahres entdeckte der NASA-Satellit Swift einen eigentümlichen Gammastrahlenblitz, der den Astronomen in den folgenden Monaten erhebliches Kopfzerbrechen bereitete. Jetzt präsentieren zwei Teams zwei ganz unterschiedliche Szenarien für dieses Ereignis. In beiden Fällen wird ein Neutronenstern benötigt, doch damit hören die Gemeinsamkeiten auch schon auf.

Entstand der Weihnachtsburst durch einen Kometen, der auf einen Neutronenstern gestürzt ist? Bild: NASA / Goddard Space Flight Center

Gammastrahlenblitze (Gamma-ray Bursts, GRBs) sind kurze, hochenergetische Strahlungsausbrüche im Gammastrahlenbereich, die an jeder Stelle des Himmels auftreten können und durch fatale Sternkatastrophen ausgelöst werden. Die Dauer dieser Blitze reicht im Gammastrahlenbereich von wenigen Millisekunden bis zu über einer halben Stunde und sie sind so hell, dass sie bis zum Rand des uns bekannten Universums beobachtet werden können. Da die Erdatmosphäre nicht für Gammastrahlen durchlässig ist, können GRBs nur mit Gammadetektoren an Bord von Satelliten, etwa des Swift-Satelliten der NASA, detektiert werden.

Beobachtungen von erdgebundenen Teleskopen haben gezeigt, dass die Blitze im Gammabereich von Emissionen bei optischen, infraroten bis hinunter zu Radiowellenlängen begleitet werden. Dieses "Nachglühen", der sogenannte Afterglow, wird von Synchrotronstrahlung hervorgerufen, welche entsteht, wenn sich ultrarelativistische, elektrisch geladene Teilchen (also Partikel mit Geschwindigkeiten von mehr als 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit) in starken Magnetfeldern bewegen und dabei Photonen aussenden.

Am 1. Weihnachtsfeiertag 2010 registrierte der NASA-Satellit Swift einen sehr speziellen Gammablitz, GRB 101225A, den die Wissenschaftler wegen des Datums seiner Entdeckung auch "Weihnachtsburst" getauft haben. Dieser GRB dauerte über eine halbe Stunde und war damit länger als fast alle bisher detektierten GRBs. Die Emission in Wellenlängen unterhalb des Gammabereichs war nicht - wie bei allen bisherigen GRBs - von Synchrotronstrahlung dominiert, sondern zeigte ein klassisches Schwarzkörperspektrum, also Wärmestrahlung.

Eine internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Christina Thöne vom Instituto de Astrofísica de Andalucía im spanischen Granada präsentierte jetzt in einen Artikel in der Fachzeitschrift Nature ein Modell, das die ungewöhnlichen Beobachtungen erklären könnte. Die Kollaboration umfasste auch Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Astrophysik, die zur theoretischen Interpretation der Daten und der Entwicklung eines plausiblen Modells beitrugen.

Gestützt auf eine große Anzahl von Beobachtungen schlägt das Team ein neues Szenario vor, um diesen exotischen Sternentod zu erklären. Die zwei populärsten Modelle für GRBs waren bisher der Kollaps eines massereichen Sterns (für GRBs mit mehr als zwei Sekunden Dauer im Gammastrahlenbereich) und die Verschmelzung von zwei kompakten Objekten (für Bursts mit weniger als zwei Sekunden Dauer). Der Weihnachtsburst mit seinen seltsamen Eigenschaften benötigt jedoch nach Auffassung der Forscher ein neues, drittes Modell.

Im Falle von GRB 101225A vermuten die Wissenschaftler, dass der Burst das Ergebnis der Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem Riesenstern war, der sich bereits im späten Entwicklungsstadium befunden hat, in seinem Kern also Helium verbrannte. Während sich der Neutronenstern dem Riesenstern näherte und schließlich in dessen Atmosphäre eintrat, wurde ein Großteil der Wasserstoff- und Heliumhülle des Riesensterns abgestoßen. Bei der endgültigen Verschmelzung des Neutronensterns mit dem Kern des Riesensterns entstand eine Akkretionsscheibe und ein GRB-artiger ultrarelativistischer Jet, der mit der zuvor ausgestoßenen Sternhülle wechselwirkte.

Dies führte zu dem beobachteten Schwarzkörperspektrum aus heißem Gas, das von einer Million Kelvin direkt nach dem GRB bis auf 5.000 Kelvin drei Wochen später abkühlte. Etwa zehn Tage nach der Explosion entwickelte sich außerdem eine schwache Supernova-Komponente, die 40 Tage nach dem GRB ihr Maximum erreichte und die nachlassende Schwarzkörperstrahlung dominierte. Dabei dürfte es sich um eine Typ Ic-Supernova in einer Entfernung von rund 5,5 Milliarden Lichtjahren handeln. Das Team glaubt auch, an der entsprechenden Stelle am Himmel ein Objekt entdeckt zu haben, bei dem es sich um die entfernte Galaxie handeln könnte, in der sich das alles abgespielt hat. Würde sich dies bestätigen, wäre das ein starkes Indiz für die Richtigkeit des neuen Modells.

Es gibt aber auch noch eine ganz andere Erklärung für den Weihnachtsburst: In einer zweiten Veröffentlichung, die auch heute in Nature erschienen ist, wird der Burst auf ein Ereignis zurückgeführt, das sich in sehr viel geringerer Entfernung ereignet hat: Ein Team um Sergio Campana vom Osservatorio Astronomico di Brera im italienischen Merate glaubt, dass sich GRB 101225A durch einen großen Kometen erklären lassen könnte, der sich einem Neutronenstern genähert hat und dabei zerbrochen ist und dessen Trümmerteile anschließend auf den Neutronenstern stürzten. Abgespielt haben sollte sich dies in einer Entfernung von nur rund 10.000 Lichtjahren. Erforderlich wäre dazu ein Komet mit etwa der halben Größe des Zwergplaneten Ceres in unserem Sonnensystem.

Welches der beiden Szenarien nun für den Weihnachtsburst zutrifft, kann - wenn überhaupt - nur durch weitere Beobachtungen geklärt werden: Wird an der Stelle von GRB 101225A tatsächlich eine Galaxie nachgewiesen, würde das für das Modell mit dem Riesenstern sprechen. Findet man allerdings dort nur eine punktförmige Quelle oder einen Pulsar spräche das eher für das Kometenmodell. Wie weit GRB 101225A nämlich tatsächlich entfernt war, haben die Astronomen bis heute nicht feststellen können.