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Gammablitz-Suche von der Raumstation
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Paul Scherrer Instituts
astronews.com
8. August 2016
Im September soll mit Tiangong 2 die zweite
chinesische Raumstation starten. An Bord wird sie auch einen Detektor namens
POLAR haben, mit dem Wissenschaftler sogenannte Gamma-ray Bursts, also
Gammablitze, untersuchen wollen. Sie interessieren sich dabei besonders für die
Polarisation der Gammastrahlung. Diese kann nämlich viel über den Ursprung der
Blitze verraten.
So stellen sich Wissenschaftler einen Gamma-ray
Burst vor. Die genauen Vorgänge bei diesen
energiereichen Ausbrüchen sind allerdings noch
Gegenstand aktueller Forschung.
Bild: ESO / A. Roquette [Großansicht] |
Irgendwo in den Tiefen des Alls leuchtet es mit gewaltiger Energie immer wieder
auf: Sogenannte Gammablitze, oder auch Gamma-ray Bursts, lassen sich rund ein
Mal pro Tag beobachten. Gammablitze senden – wie der Name sagt – Licht im
hochenergetischen Bereich der Gammastrahlung aus. In wenigen Sekunden stoßen sie
mehr Energie aus als die Sonne in Milliarden von Jahren. Und doch sind
Gammablitze noch weitgehend unverstanden; unter anderem ist nicht geklärt, was
genau ihr Ursprung ist.
Hier setzt das aktuelle Forschungsprojekt von Wojciech Hajdas und seiner
Forschungsgruppe am Paul Scherrer Institut an: Gemeinsam mit Wissenschaftlern
der Universität Genf und des chinesischen Instituts für Hochenergiephysik haben
sie einen Detektor für Gammablitze entwickelt. POLAR heißt das Gerät; es wird
den Grad der Polarisation des Lichtes von Gammablitzen vermessen. Diese
Eigenschaft des Lichtes kann Hinweise liefern, welche Ereignisse im All die
Ursprünge der Gammablitze sind.
Denn bislang ist nicht klar, was genau der Entstehungsmechanismus für
Gammablitze ist – und ob womöglich mehrere Arten von Ursprungsereignissen in
Betracht kommen. Diskutiert werden der Kollaps eines massereichen Sterns zu
einem Schwarzen Loch, das Verschmelzen zweier Neutronensterne, eine spezielle
Sorte Supernova und eine Reihe ähnlich energie- und massereicher Vorgänge. "Je
nachdem, welchen Polarisationsgrad wir messen, lassen sich eine Reihe von
Ursprungsmechanismen ausschließen", so Hajdas. "Falls das Licht der Gammablitze
beispielsweise einen hohen Polarisationsgrad hat, werden wir rein thermische
Ereignisse ausschliessen können."
Licht breitet sich als Welle aus; die Polarisation ist die Auslenkungsrichtung
dieser Welle. Hajdas möchte herausfinden, ob die einzelnen Lichtwellen eines
Gammablitzes kreuz und quer zueinander schwingen, oder ob alle Schwingungen
parallel zueinander liegen. Letzteres wäre wissenschaftlich ausgedrückt ein
hoher Polarisationsgrad.
Allerdings kann POLAR die Gammablitze nicht einfach von der Erde aus
detektieren: Die Luft der Erdatmosphäre verhindert genaue Messungen. Daher
suchte Hajdas den Kontakt zu verschiedenen Raumfahrtmissionen. Am
aufgeschlossensten für eine Zusammenarbeit zeigte sich das chinesische Institut
für Hochenergiephysik. Schon lange plant die chinesische Weltraumorganisation
für den Herbst den Start ihrer nächsten Raumstation Tiangong 2 -
übersetzt "Himmlischer Palast 2". Nun ist klar: POLAR wird im September 2016 an
Bord der Tiangong 2 in den Erdorbit fliegen und auch von dort aus
Messdaten sammeln.
Daten wird POLAR genügend sammeln können, denn in der Gesamtheit des Alls
ereignen sich Gammablitze häufig. Sie lassen sich aus beliebig weiten
Entfernungen detektieren und damit – wegen der Reisedauer ihres Lichtes – aus
den verschiedenen Epochen des Universums. "Wir erwarten, während des
zweijährigen Forschungseinsatzes mehrere Dutzende sehr starker Gammablitze zu
registrieren, was uns eine genaue Messung des Polarisationsgrads ermöglichen
wird", so Hajdas.
Das Problem: Kein Gammablitz gleicht dem anderen. Fachleute tun sich daher
schwer damit, die Gammablitze in Kategorien einzuteilen und ihren Ursprung
auszumachen. Immerhin lassen sich bisher zwei grobe Gruppen ausmachen, erklärt
Hajdas: Einerseits kurze Gammablitze, die nur ungefähr eine Sekunde lang
leuchten, und andererseits solche, die zig Sekunden dauern – wobei die kurze
Sorte öfters beobachtet wird als die länger leuchtende.
Während sich Dauer und Häufigkeit der Gammablitze schon recht gut vermessen
lassen, ist ihr Polarisationsgrad bisher unbekannt. Daher erhoffen sich Hajdas
und seine Kollegen, hierüber das Verständnis der Gammablitze zu erweitern.
Womöglich werden sich auch bezüglich ihres Polarisationsgrades verschiedene
Sorten Gammablitze einteilen lassen: Solche mit höherem und andere mit
niedrigerem Polarisationsgrad, die demnach verschiedenen Entstehungsmechanismen
zuzuordnen sein werden.
Das hochenergetische Licht der Gammablitze lässt sich nur indirekt detektieren.
Daher besteht das Herzstückstück von POLAR aus 1600 speziellen Plastikstäben,
die dicht an dicht liegen und für unsere Augen durchsichtig sind. Trifft das
Licht der Gammablitze in diese Stäbe, löst es darin einen sichtbaren Lichtblitz
aus - ein Prozess namens Szintillation. "Genauer gesagt müssen die Lichtteilchen
vom Gammablitz auf die Elektronen in den Plastikstäben treffen. Die dadurch
angeregten Moleküle des Szintillators senden daraufhin Lichtteilchen im
sichtbaren Energiebereich aus", erklärt Hajdas.
Am anderen Ende der Stäbe sitzt ein Detektor für sichtbares Licht, der somit
indirekt die Gammablitze nachweist. Dabei kann das Instrument auf die
Polarisation des Gammablitzes zurückschließen. "Die Besonderheit unseres
Detektorsystems ist, dass wir nur diejenigen Lichtteilchen der Gammablitze
auswerten, die erst in einem Plastikstab ein Elektron angeregt haben und
anschließend in einem zweiten Stab noch ein zweites Elektron", so Hajdas weiter.
"Nur dadurch, dass wir diese zwei Datenpunkte zusammennehmen, können wir die
Polarisation zuverlässig und exakt bestimmen."
Zudem ist der Öffnungswinkel von POLAR so groß, dass rund ein Drittel des
gesamten Himmels abgedeckt wird. Sowohl das Konzept des Detektorsystems als auch
die Elektronik wurden am PSI entwickelt. Die Signalauslesemodule und der
Zentralcomputer von POLAR wurden dann am PSI hergestellt und getestet.
Zusätzlich entwickelte das Team eine eigene Software für die Bearbeitung der
Daten. Um POLAR vor seinem Einsatz zu kalibrieren, nutzen die Wissenschaftler die
Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI sowie der
European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. Alle an diesem
internationalen Gemeinschaftsprojekt Beteiligten testeten schließlich den
fertigen Detektor gründlich.
Ereignisse wie die Entstehung Schwarzer Löcher, die als Ursprung für Gammablitze
in Betracht kommen, sind mit großer Wahrscheinlichkeit zugleich der Ursprung von
Gravitationswellen. Gravitationswellen wurden bereits von Albert Einstein
vorhergesagt; im September 2015 konnten Wissenschaftler der internationalen
LIGO-Kollaboration sie erstmals direkt nachweisen. Dieser Erfolg beflügelt
Hajdas: "Mein Traum wäre es, dass POLAR einen Gammablitz detektiert und die
Kollegen von LIGO zeitgleich eine weitere Gravitationswelle vermessen."
Womöglich entwickelt sich dadurch eine übergreifende Zusammenarbeit in diesem
noch jungen Forschungszweig.
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