Schlagwort: Gammastrahlung

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Großteleskope der Erde untersuchen GRB 130427A

Eine Kugel vor schwarzem Hintergrund ist von blauen Flecken übersät. Über der Mitte ist ein weißes Licht mit einem roten Rand.

Illustrationscredit: NASA, DOE, Fermi-LAT-Collaboration

Im nahen Universum fand eine gewaltige Explosion statt. Nun ermitteln Großteleskope auf der ganzen Welt und im All. Der Gammablitz trägt die Bezeichnung GRB 130427A. Er wurde zuerst vom Satelliten Swift im Erdorbit im energiereichen Röntgenspektrum entdeckt. Dieser meldete den Ausbruch rasch der Erde.

Nur drei Minuten später fand das Teleskop ISON die Explosion im sichtbaren Licht. Es stellte seine extreme Helligkeit fest und gab genauere Koordinaten weiter. ISON in New Mexico hat einen halben Meter Durchmesser.

In den nächsten Minuten wurde die helle optische Entsprechung von mehreren rasch ausrichtbaren Teleskopen verfolgt. Dazu gehörten das 2-Meter-Teleskop P60 in Kalifornien, das 1,3-Meter-Teleskop PAIRTEL in New Mexico und das 2 Meter große Faulkes Telescope North auf Hawaii.

In nur zwei Stunden ermittelte das 8,2-Meter-Teleskop Gemini Nord auf Hawaii eine Rotverschiebung von 0,34. Damit positionierte es die Explosion in eine Entfernung von etwa 3,6 Milliarden Lichtjahren. Das ist in kosmologischen Größenordnungen relativ nahe.

Daten der RAPTOR-Ganzhimmelsüberwachung wurden analysiert. Sie wurden schon zuvor aufgenommen. Dabei entdeckt man eine sehr helle optische Entsprechung mit 7,4 Größenklassen. Diese trat 50 Sekunden vor dem Swift-Auslöseimpuls auf.

GRB 130427A war der hellste Ausbruch der letzten Jahre. Auch das Very Large Array VLA detektierte in energiearmen Radiowellenlängen ein Signal von GRB 130427A. Auch der Satellit Fermi maß es, und zwar in den höchsten je gemessenen Energiebereichen.

Neutrinodetektoren, Gravitationswellenteleskope und Observatorien, die für das Aufspüren extrem energiereicher Photonen gebaut wurden, suchen in ihren Daten nach einem Signal von GRB 130427A.

Diese Animation zeigt, wie der ganze Gammastrahlenhimmel einen Augenblick lang vom intensiven Leuchten von GRB 130427A überstrahlt wird. Die optische Entsprechung wird weithin beobachtet, denn es besteht die Möglichkeit, dass bald das Leuchten einer klassischen Supernova folgt.

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Kosmische Strahlen bei Voyager 1

Die Grafik zeigt Messwerte der kosmischen Strahlung der Raumsonde Voyager 1 im Laufe von 12 Monaten. In den letzten Monaten steigt die Kurve deutlich an.

Bildcredit: Projekt Voyager, NASA

Die Voyager-Zwillingssonden brachen 1977 zu einer großen Rundreise zu den äußeren Planeten auf. Sie bewegten sich zufällig auch in Bewegungsrichtung der Sonne relativ zu den nahen Sternen. Nun, dreißig Jahre später, nähert sich Voyager 1 offenbar dem Rand der Heliosphäre. Dahinter liegt der interstellare Raum.

Die Heliosphäre ist das Reich der Sonne. Es entsteht unter dem Einfluss des Sonnenwindes und des Sonnenmagnetfeldes. Doch woher weiß man, wann ein Raumschiff die Grenze zum interstellaren Raum überschreitet? Ein Hinweis wäre ein plötzlicher Anstieg an energiereicher kosmischer Strahlung.

Die energiereichen Teilchen ziehen durch den interstellaren Raum und werden von fernen Supernovae in unserer Galaxis beschleunigt. Die Heliosphäre lenkt sie normalerweise ab oder bremst sie. Dieses Diagramm zeigt einen Zeitraum von 12 Monaten (September 2011 bis 2012). In den letzten Monaten hatte die Raumsonde Voyager 1 tatsächlich einen dramatischen Anstieg bei den Messwerten der kosmischen Teilchenstrahlung.

Voyager 1 ist nun 18 Milliarden Kilometer (17 Lichtstunden, 122 Astronomische Einheiten) von der Sonne entfernt. Sie könnte bald die erste Raumsonde der Erde sein, die den Raum der Sterne erreicht.

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High Energy Stereoscopic System II (HESS)

Mitten in einer kargen Buschlandschaft steht ein riesiges schwenkbares Teleskop. Der Spiegel wird von einem roten Gerüst gehalten und spiegelt die Landschaft verkehrt herum.

Bild mit freundlicher Genehmigung der H.E.S.S.-Arbeitsgemeinschaft

Im Vordergrund dieses steht das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) II-Teleskop. Es ist das größte seiner Art. Das Teleskop ist waagrecht geneigt und reflektiert die Landschaft der namibischen Wüste verkehrt herum. Der segmentierte Spiegel ist 24 Meter breit und 32 Meter hoch. Anders gesagt: Die Fläche ist so groß wie zwei Tennisplätze.

H.E.S.S. II ging am 26. Juli erstmals in Betrieb. Nun erforscht es das Universum in extremen Energien. Die meisten erdgebundenen Teleskope mit Linsen und Spiegeln werden durch die schützende Atmosphäre der Erde eingeschränkt. Die Lufthülle streut und absorbiert Licht und wirkt wie ein Weichzeichner für Bilder.

Doch H.E.S.S. II ist ein Tscherenkow-Teleskop. Es wurde gebaut, um Gammastrahlen zu beobachten. Das sind Photonen mit mehr als der 100-Milliarden-fachen Energie von sichtbarem Licht.

Für seine Beobachtungen braucht es die Atmosphäre sogar. Wenn Gammastrahlen auf die obere Atmosphäre treffen, erzeugen sie in der Luft Schauer aus sehr energiereichen Teilchen. Eine riesige Kamera im Brennpunkt des Spiegels zeichnet detailreich die kurzen Blitze im sichtbaren Licht auf. Es ist das sogenannte Tscherenkow-Licht, das durch die Teilchenschauer in der Luft entsteht.

Das H.E.S.S. II-Teleskop arbeitet künftig mit einer Anordnung von vier weiteren 12-Meter-Tscherenkow-Teleskopen zusammen. So entstehen mehrfache stereoskopische Ansichten der Luftschauer. Das lässt Rückschlüsse auf die Energien und die Richtungen der eintreffenden kosmischen Gammastrahlen zu.

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Fermi-Epizyklen: Der Pfad des Vela-Pulsars

Ein Kreus auf dunklem Hintergrund ist von vielen hellen Linien überzogen, die einander überlagern. Dabei entsteht eine rosettenartige Form.

Bildcredit: NASA, DOE, Internationale Fermi LAT-Zusammenarbeit

Das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi erforscht den Kosmos in extremen Energiebereichen. Es umrundet alle 95 Minuten den Planeten Erde. Dabei schwankt es absichtlich auf wechselnden Umlaufbahnen nach Norden und Süden, um mit seinem Large Area Telescope (LAT) den Himmel zu vermessen. Die Raumsonde rotiert auch. Das sorgt dafür, dass die Solarpaneele, welche die Energie liefern, auf die Sonne gerichtet bleiben. Die Achse ihrer Bahn präzediert wie ein Kreisel. Die Rotationsachse vollendet alle 54 Tage einen Umlauf.

Diese vielen Bewegungszyklen führen dazu, dass die Pfade von Gammastrahlenquellen aus Sicht der Raumsonde komplexe Muster zeichnen. Diese Darstellung veranschaulicht das, sie zeigt den hypothetischen Pfad des Vela-Pulsars. Die Darstellung ist auf das Bildfeld des LAT-Instruments zentriert, sie zeigt ein 180 Grad breites Bildfeld und folgte der Position des Vela-Pulsars von August 2008 bis August 2010. Die helle Konzentration an Linien um die Mitte zeigt, dass sich der Vela-Pulsar meistens in der sensitiven Region des LAT-Detektors befand.

Der Vela-Pulsar entstand bei der finalen Explosion eines massereichen Sterns in der Milchstraße. Er ist ein Neutronenstern, der 11 Mal pro Sekunde rotiert. Im Spektrum der Gammastrahlen ist er die hellste und beständige Quelle am Himmel.

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Sonnenfackel am Gammastrahlenhimmel

Zwei Ovale zeigen den Himmel in Gammastrahlen. Im oberen Oval ist das hellste Licht der Vela-Pulsar, im unteren Oval vom 7. März leuchtet die Sonne um ein Vielfaches heller als alles andere.

Bildcredit: NASA, DOE, Internationale Fermi LAT- Arbeitsgemeinschaft

Was leuchtet am Gammastrahlenhimmel? Die Antwort lautet normalerweise: Die exotischsten und energiereichsten astrophysikalischen Umgebungen. Dazu zählen aktive Galaxien mit sehr massereichen schwarzen Löchern oder unglaublich dichte Pulsare, das sind die rotierenden Überreste explodierter Sterne.

Doch am 7. März markierte eine mächtige Sonnenfackel aus einer Serie aktueller Sonnenausbrüche den Gammastrahlenhimmel. Sie erreichte die ein-milliardenfache Energie von Photonen im sichtbaren Licht.

Die beiden Bildfelder zeigen die Intensität der Sonnenfackel auf Bildern des ganzen Himmels. Sie wurden vom Gammastrahlenteleskop Fermi in der Erdumlaufbahn aufgenommen. Am 6. März war die Sonne wie an den meisten anderen Tagen für Fermis Bilddetektoren fast unsichtbar. Doch beim Ausbruch der energiereichen Fackel der Klasse X wurde sie im Gammastrahlenlicht fast 100-mal heller als sogar der Vela-Pulsar.

Inzwischen verblasste die Sonne aus Fermis Sicht wieder. Wahrscheinlich leuchtet sie am Gammastrahlenhimmel wieder hell auf, wenn der Sonnenfleckenzyklus sein Maximum erreicht.

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Im Nachleuchten festgehalten

Links ist ein Gammastrahlenblitz, der mit einem Spektrum markiert ist. Von dem Blitz geht diagonal nach oben ein Strahl aus, der durch zwei Galaxien verläuft. Hinter jeder Galaxie ist ein weiteres Spektrum angebracht.

Illustrationscredit: ESO, L. Calçada; Forschungsteam: Sandra Savaglio (MPE) et al.

Diese künstlerische Darstellung zeigt zwei ferne Galaxien im Nachleuchten von GRB090323. Die Galaxien entstanden etwa 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall. GRB090323 war ein Gammastrahlenblitz, sein Licht durchquerte fast das ganze Universum.

Der Ausbruch wurde im März 2009 vom Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi entdeckt. Der Gammablitz strahlte durch seine Heimatgalaxie und eine weitere Galaxie in der Nähe. Diese Anordnung wurde aus dem Spektrum des Nachleuchtens geschlossen.

Das Nachleuchten des Blitzes verblasst langsam. Das Spektrum des Nachleuchtens wurde mit einer Einheit des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte beobachtet. Es lieferte ein überraschendes Ergebnis, nämlich dass die fernen Galaxien mehr schwere Elemente enthalten als die Sonne. Sie weisen die höchste Anreicherung an schweren Elementen auf, die je im frühen Universum beobachtet wurde.

Schwere Elemente reichern ältere Galaxien im lokalen Universum an. Sie sind in früheren Sterngenerationen entstanden. Somit haben diese jungen Galaxien im Vergleich zu unserer Milchstraße eine ungeheure Sternbildungsrate und chemische Entwicklung durchlaufen.

Der Ort des Ausbruchs liegt in der Illustration links. Das Licht wandert vom Ausbruch aus durch die Galaxien rechts daneben. Dunkle Absorptionslinien im Spektrum des Nachleuchtens zeigen die Elemente in den Galaxien. Diese Spektren sind als Einschübe dargestellt. Sternforschende auf dem Planeten Erde sind etwa 12 Milliarden Lichtjahre außerhalb des rechten Bildrandes.

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An der Quelle des Goldes

Von oben ragt ein dunkler Himmelskörper ins Bild, darunter ist ein kleinerer Körper mit einer weißen Korona.

Bildcredit: Dana Berry, NASA

Beschreibung: Woher stammt das Gold in eurem Schmuck? Niemand weiß das genau. In unserem Sonnensystem gibt es anscheinend mehr Gold, als im frühen Universum, in den Sternen oder sogar bei typischen Supernovaexplosionen entstanden sein kann.

Manche Forschende schlugen kürzlich vor, dass neutronenreiche, schwere Elemente wie Gold am leichtesten bei seltenen neutronenreichen Explosionen entstehen könnten, zum Beispiel bei Kollisionen von Neutronensternen.

Das Bild oben zeigt eine künstlerische Illustration. Zwei Neutronensterne kommen einander auf spiralförmigen Bahnen näher. Kurz darauf kollidieren sie. Kollisionen von Neutronensternen wurden auch als Ursprung der kurzen Gammablitze vorgeschlagen. Vielleicht besitzt ihr also bereits ein Andenken an eine der mächtigsten Explosionen im Universum!

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Ein unerwarteter Blitz im Krebsnebel

Auf zwei Bildfeldern sind je zwei rot umrandete helle Lichtquellen zu sehen. Die obere ist der Krebsnebel, er leuchtet auf dem rechten Bild vom April 2011 hell auf.

Credit: NASA, DOE, Fermi LAT, R. Buehler (SLAC, KIPAC)

Beschreibung: Warum blitzt der Krebsnebel auf? Niemand weiß das genau. Das ungewöhnliche Verhalten wurde im Lauf der letzten paar Jahre entdeckt. Es tritt anscheinend nur in sehr energiereichem Licht auf: im Spektrum von Gammastrahlen.

Vor erst einem Monat zeigten Beobachtungen des Krebsnebels mit dem Gammastrahlenteleskop Fermi ein unerwartetes Aufleuchten im Licht von Gammastrahlen. Dabei erreichte der Nebel etwa das Fünffache seiner üblichen Helligkeit in diesem Spektralbereich. Nach nur wenigen Tagen verblasste er wieder.

Üblicherweise ist die betroffene Region umso kleiner, je schneller die Veränderung geschieht. Das ist vielleicht ein Hinweis, dass der Krebspulsar am Geschehen beteiligt ist. Der mächtige Pulsar im Zentrum des Nebels ist ein kompakter Neutronenstern, der 30 Mal pro Sekunde rotiert.

Die Überlegungen richten sich besonders auf Veränderungen des Magnetfeldes, das vermutlich den mächtigen Pulsar umgibt. Rasche Veränderungen im Magnetfeld könnten zu Wellen rasch beschleunigter Elektronen führen, welche die Blitze abstrahlen könnten, möglicherweise auf ähnlichen Wegen wie unsere Sonne.

Dieses Bild zeigt, wie der Krebsnebel normalerweise im Vergleich zum Geminga-Pulsar im Gammastrahlenlicht aussieht, und wie er aussah, als er heller wurde.

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