Kosmische Dramen

Gammastrahlenblitze sind das Resultat gigantischer Explosionen in den Tiefen des Alls. Ein Nanosatellit soll sie nun genau lokalisieren – an Bord hat er Technik, die ein Tübinger Astrophysiker-Team entwickelte.

Sie zeugen von den dramatischsten Ereignissen, die das Universum zu bieten hat: Gammastrahlenausbrüche, deren Blitze die Erde aus Entfernungen von Millionen, oft sogar Milliarden von Lichtjahren erreichen. Es sind Signale aus den Tiefen eines vergangenen Universums, das so längst nicht mehr existiert. Verursacht werden Gammastrahlenblitze, die von wenigen Millisekunden bis zu einigen Minuten dauern, durch den Kollaps massereicher Sterne oder die Kollision von kompakten astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Ihr Zusammenprall endet in einer gewaltigen Explosion, einer Super- oder Hypernova.

Während die Sterne in ihrem „Todeskampf“ zu einem Schwarzen Loch verschmelzen, entsenden sie Materiestrahlen, sogenannte Jets. Durch sie werden Materieteilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dabei entsteht eine extrem helle Gamma-Strahlung – physikalisch den Röntgenstrahlen verwandt –, die in Sekunden mehr Energie freisetzt als unsere Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer.

Seit US-Satelliten die Gammastrahlenblitze 1967 zum ersten Mal registrierten, werden sie intensiv erforscht. Trotzdem sind noch viele Fragen offen. Was genau geschieht, während die Sterne kollabieren? Wie oft werden bei solchen Ereignissen Gammastrahlen ausgesendet? Haben alle Jets die gleiche Struktur oder unterscheiden sie sich von Fall zu Fall? Von der Erde aus lassen sich Gammastrahlenblitze nicht beobachten, da die Atmosphäre sie absorbiert. Deshalb spielen Weltraumteleskope an Bord von Satelliten eine entscheidende Rolle für die Forschung. Ein Team des Instituts für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen hat jetzt einen wichtigen Baustein dafür geliefert.

Mitfahrgelegenheit ins All

Der Vorteil der Nanosatelliten gegenüber ihren großen Brüdern: Sie lassen sich kostengünstiger realisieren, weil die Entwickler – wie auch im Tübinger Projekt – Bauteile „von der Stange“ verwenden können. Auch der Transport ins All ist billiger, denn man nutzt Mitfahrgelegenheiten und benötigt keine eigenen Raketenstarts. So können auch Universitäten, die in der Regel nicht über die finanziellen Mittel von Raumfahrtagenturen verfügen, wichtige Forschungsbeiträge leisten.

Ein weiterer Pluspunkt des Nanosatelliten-Projekts ist seine Schnelligkeit, sagt Guzmán: „Wir haben in weniger als fünf Jahren einen ganz neuen miniaturisierten Detektor entworfen, gebaut und an den Start gebracht. Für Promovierende ist es sehr attraktiv, an so einem Projekt mitzuarbeiten, das sie bis zum Flug begleiten können.“ Entwicklung und Fertigung großer Satelliten, wie sie bei der ESA oder der NASA üblich sind, dauern bedeutend länger.

Hat SpIRIT seine Phase als „Testballon“ des HERMES-Netzwerks absolviert, werden die sieben Nanosatelliten ihre Arbeit aufnehmen. Gemeinsam sollen sie den Himmel nach Gammablitzen absuchen und so eine präzisere Verortung der Strahlungsquellen ermöglichen. Dabei machen sich die Astrophysikerinnen und -physiker zunutze, dass die Detektoren der Satelliten aufgrund ihrer unterschiedlichen Positionen im Orbit denselben Blitz zu unterschiedlichen Zeitpunkten registrieren. Auf der Basis dieser Differenz lässt sich errechnen, wo im Weltall sich die kollabierenden Sterne und Schwarzen Löcher befinden, die diese Blitze aussenden.

Erkenntnisse zur Geschichte des Universums

Allerdings bildet die Gammastrahlung, auf deren Detektion die HERMES-Satelliten ausgelegt sind, nur einen Ausschnitt dieses Phänomens. Die kosmischen Ereignisse und ihre Nachwirkungen setzen auch andere elektromagnetische Wellen frei: UV- und Infrarot- Strahlung, sichtbares Licht und Radiowellen. Um sie zu registrieren, sind Teleskope notwendig, die auf die jeweiligen Frequenzen spezialisiert sind. Hinzu kommt eine Wellenart, die nicht zum elektromagnetischen Spektrum gehört und 2016 erstmals nachgewiesen wurde: Gravitationswellen, die entstehen, wenn extrem massereiche Sterne oder Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Kosmos und verformen dabei den Raum, den sie durchqueren. Solche verschiedenartigen physikalischen Informationen durch ein Netzwerk spezialisierter Teleskope zu erfassen, sie als Puzzleteile ein und desselben Ereignisses zu identifizieren und zusammenzusetzen ist das Ziel der Multi-Messenger-Astronomie. Die HERMES-Satelliten sind Teil dieses neuartigen wissenschaftlichen Konzepts: Sie bilden ein Netzwerk, das innerhalb eines größeren Netzwerks operiert.

Die Kombination unterschiedlicher Methoden und Daten verspricht neue Erkenntnisse zur Entstehung und Geschichte des Universums. Zum Beispiel zur Frage nach den Ursprüngen der chemischen Elemente oder zur Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt. Das spezielle Interesse der Tübinger Forschenden gilt einem der kniffligsten Rätsel der Kosmologie, wie Guzmán erläutert: „Die Spezielle Relativitätstheorie postuliert, dass alle Beobachter im Vakuum die gleiche Lichtgeschwindigkeit messen, unabhängig von der Wellenlänge des Lichts, was mit der Vorstellung zusammenhängt, dass der Raum ein Kontinuum ist.“

Sei der Raum jedoch auf sehr kleinen Skalen in Einheiten unterteilt, sei es denkbar, dass sich Licht je nach Wellenlänge etwas schneller oder langsamer in diesem Raumgitter ausbreite. Die Unterschiede sind viel zu klein, um sie auf der Erde festzustellen. Beobachtet man aber Lichtstrahlen im Kosmos über eine sehr lange Zeit und Strecke, kann man messen, ob sich die Photonen wirklich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. „Wir in Tübingen gehören zu den Ersten, die versuchen, das herauszufinden. Die Beobachtung der Gammastrahlen durch unsere Satelliten-Konstellation eignet sich dafür hervorragend.“

Text: Wolfgang Krischke