Uni-Tübingen

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21.11.2019

Kosmische Katastrophe beobachtet

Erstmals weisen Forscher höchstenergetische Gammastrahlung aus dem Nachglühen eines Gammastrahlenausbruchs nach

Foto des H.E.S.S.-Teleskops© H.E.S.S./MPI Kernphysik/ Christian Föhr, email: christian.foehr@mpi-hd.mpg.de
Das große H.E.S.S.-Teleskop mit 614 Quadratmetern Spiegelfläche, mit dem erstmals ein GRB im höchstenergetischen Gammastrahlenbereich beobachtet werden konnte.

Nach mehr als 15 Jahren Suche ist es Astrophysikern erstmals gelungen, Licht vom Nachglühen eines sogenannten Gammastrahlenausbruchs zu beobachten, das millionenfach energiereicher ist als das Licht des Gammablitzes selber. Die kosmischen Ausbrüche entstehen bei einer Sternenexplosion oder beim Verschmelzen zweier kompakter Sternleichen und dauern jeweils nur wenige Sekunden. Dennoch gehören sie zu den hellsten Explosionen im Universum und setzen jeweils mehr Energie frei als die Sonne in einer Milliarde Jahre. Die H.E.S.S.-Kollaboration, ein Projekt, an dem 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit beteiligt sind, konnte nun mit einem riesigen Gammastrahlenteleskop noch zehn bis zwölf Stunden nach einem Ausbruch höchstenergetische Gammastrahlen nachweisen. Bislang war man davon ausgegangen, dass solche extremen Energien – wenn überhaupt – nur in den ersten Minuten nach der Explosion zu sehen sind. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature vorgestellt.

Möglich wurde die Beobachtung durch das größte in Namibia stationierte Teleskop der H.E.S.S.-Kollaboration, das 28 Meter Spiegeldurchmesser umfasst und für derartige Beobachtungen besonders geeignet ist. Dr. Gerd Pühlhofer und die Arbeitsgruppe von Professor Andrea Santangelo am Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen waren an Aufbau und Betrieb des Teleskops beteiligt. 

Die physikalischen Prozesse solcher kosmischer Katastrophen zu verstehen, ist ein Ziel der modernen astrophysikalischen Forschung:  Explosionen dieser Art produzieren Ausbrüche sogenannter Gammastrahlen ‒ eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung ‒ denen ein längeres Nachglühen bei niedrigeren Lichtenergien, also im Röntgenbereich, im sichtbaren Wellenlängenbereich und im Radiowellenbereich folgt. Die Gammastrahlen eines Ausbruchs selbst sind einige Tausend bis Millionen Mal energiereicher als sichtbares Licht. Sie sind nur von Satelliten aus zu beobachten, weil die Atmosphäre für diesen Wellenlängenbereich undurchlässig ist. Viele Fragen dazu waren bisher offen, darunter: Bis zu welcher Höchstgrenze im elektromagnetischen Spektrum können Gammastrahlenausbrüche leuchten? Ist auch die sogenannte höchstenergetische Gammastrahlung dabei, die so energiereich ist (mindestens 100 Milliarden Mal energiereicher als sichtbares Licht), dass man ihre Spuren beim Eindringen in die Atmosphäre mit Gammastrahlenteleskopen von der Erde aus beobachten kann? Und ist vielleicht auch das Nachglühen dieser Explosionen noch bei diesen Energien beobachtbar? 

2018 war es der H.E.S.S.-Kollaboration gelungen, einen Gammastrahlenausbruch (gamma ray bursts, kurz GRB) mit dem in Namibia stationierten Teleskop zu beobachten. Am 20. Juli meldeten der Fermi Gamma-Ray Burst Monitor und das Swift Burst Alert Telescope kurz nacheinander den „GRB 180720B“. Dieser war sehr stark und dauerte etwa 50 Sekunden – eine für Gammastrahlungs-ausbrüche vergleichsweise lange Zeit, die auf den Tod eines massereichen Sterns als Ursache der Explosion hindeutet. Dabei kollabiert dessen Kernbereich zu einem schnell rotierenden Schwarzen Loch. In einer „Akkretionsscheibe“ um das Schwarze Loch heizt sich das umgebende Gas sehr stark auf. Senkrecht zur Scheibenebene ausgestoßene Gasjets erzeugen die Gammablitze. In diesen Düsenstrahlen werden Elementarteilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und erzeugen in Wechselwirkung mit umgebender Materie und Strahlungsfeldern Gammastrahlung in unerwartetem Ausmaß.

Nach dem Ausbruch im Juli 2018 nahmen Observatorien diese Stelle des Himmels ins Visier. Auch das H.E.S.S.-Team suchte nach höchstenergetischem Nachglühen und war erfolgreich, obwohl die Position am Himmel in Namibia erst viele Stunden nach dem Ausbruch sichtbar wurde: In den Beobachtungsdaten aus dem Zeitraum 10 bis 12 Stunden nach dem Gammastrahlenausbruch war an der Stelle des Ausbruchs eine neue, punktförmige Gammastrahlen-Quelle sichtbar. Obwohl man lange versucht hatte, höchstenergetische Gammastrahlen in einem Gammastrahlenausbruch nachzuweisen, war die Entdeckung so viele Stunden nach dem eigentlichen Blitz eine Überraschung. Die Strahlung demonstriert die Anwesenheit von extrem beschleunigten Teilchen und zeigt, dass diese relativ lange nach der Explosion weiter existieren bzw. erzeugt werden. Als kosmischer Beschleuniger wirkt hier wahrscheinlich die von der Explosion ausgehende Schockwelle.

„Es ist großartig, dass unsere Anstrengungen bei der Organisation des H.E.S.S.-GRB-Beobachtungsprogramms und die Investition in GRB-Beobachtungszeit über die letzten 15 Jahre zum Erfolg geführt haben“, sagt Gerd Pühlhofer vom Tübinger Institut für Astronomie und Astrophysik. Er hatte das Programm seit 2004, während der Anfangsjahre der H.E.S.S.-Beobachtungen, koordiniert, damals noch mit dem ursprünglichen H.E.S.S.-System von vier 13-Meter-Teleskopen. Als später die Universität Tübingen zu dem Experiment stieß, wurde gerade das zusätzliche 28-Meter-Teleskop vorbereitet und ging 2012 in Betrieb. 

„Unser Engagement bei der H.E.S.S.-Kollaboration und insbesondere unser Beitrag zur Installation und Inbetriebnahme des 28-Meter-Teleskops waren eine große Herausforderung für eine Universitätsgruppe wie die unsere“ sagt Andrea Santangelo, Leiter der Abteilung Hochenergieastrophysik an der Universität Tübingen. „Ich bin sehr froh, dass mit diesem Teleskop nun ein solch wichtiger wissenschaftlicher Meilenstein erreicht wurde.“

Antje Karbe/Dr. Gerd Pühlhofer


H.E.S.S. home page:www.mpi-hd.mpg.de/HESS  
H.E.S.S instrument:www.mpi-hd.mpg.de/HESS/pages/about/ 

Publikation: 
The H.E.S.S. Collaboration (korrespondierende Autoren Edna Ruiz Velasco, Quentin Piel, R. Daniel Parsons, Elisabetta Bissaldi, Clemens Hoischen, Andrew Taylor, Felix Aharonian, Dmitry Khangulyan): A new very-high-energy component deep in the Gamma-ray Burst afterglow, Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1743-9, www.nature.com/articles/s41586-019-1743-9  
 

Kontakt:

Universität Tübingen
Dr. Gerd Pühlhofer
Telefon +49 7071 29-74982
gerd.puehlhoferspam prevention@astro.uni-tuebingen.de 

Prof. Dr. Andrea Santangelo
Telefon +49 7071 29-78128
santangelospam prevention@astro.uni-tuebingen.de 

 

Die H.E.S.S. Teleskope

Die Ergebnisse wurden mit dem H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System)-Experiment in Namibia erzielt. Dieses System aus vier Teleskopen mit einem Spiegeldurchmesser von je 13 Metern und dem riesigen HESS II-Teleskop mit 28 Metern Spiegeldurchmesser (dem größten optischen Teleskop der Welt) bilden die leistungsfähigste Forschungseinrichtung zur Untersuchung hochenergetischer Gammastrahlung. Mit den H.E.S.S.-Teleskopen werden die blauen Tscherenkovblitze aufgenommen, die entlang des Weges hochenergetischer Gammaphotonen durch die Erdatmosphäre entstehen. Das Tscherenkovlicht wird von den riesigen Spiegeln gesammelt und mit ultraschnellen Kameras aufgezeichnet. Aus den Bildern der verschiedenen Teleskope werden die Energie und Richtung der kosmischen Gammaquanten rekonstruiert.
Das Experiment wird von der H.E.S.S.-Kollaboration betrieben, die aus über 250 Wissenschaftlern aus Deutschland, Frankreich, Namibia, Südafrika, Polen, England, Österreich, Japan, Irland, Armenien, Australien, Schweden und den Niederlanden gebildet wird. Die Forscher und ihre Institutionen werden von nationalen Forschungsorganisationen unterstützt.

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