GRB 121024A - zirkulare Polarisation verblüfft Forscher

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Circular polarization in the optical afterglow of GRB 121024A

    Klaas Wiersema et al. 2014,

    Nature Band 509, Nummer 7499 (Ausgabe vom 8. May 2014)

    elektronische Veröffentlichung am 30.4.2014 unter http://dx.doi.org/10.1038/nature13237

Kurzfassung

Das derzeitige Standardmodell der Gammastrahlen-Ausbrüche (Gamma-Ray Bursts; GRBs) beruht auf zwei entgegengesetzt gerichteten Jets, die ein zu einem Schwarzen Loch kollabierender massereicher Stern am Ende seines Lebens erzeugt. Wenn diese Jets mit der umgebenden interstellaren Materie kollidieren, wird das sog. Nachleuchten erzeugt. Messungen der Polarisation des Nachleuchtens erlauben es, sowohl die magnetischen Eigenschaften des Jets als auch seine geometrische Struktur zu untersuchen. Theoretische Modelle sagen geringe lineare und keine zirkulare Polarisation voraus.

Die hier vorgestellten Messungen mit dem Very Large Telescope (ESO Chile) zeigen erstmals zirkulare Polarisation im Nachleuchten eines GRBs. Durch unterstützende photometrische Messungen mit dem GROND-Instrument des Max-Planck Instituts für extraterrestrische Physik können alternative Erklärungsmöglichkeiten ausgeschlossen werden mit dem Resultat, dass die gemessene zirkulare Polarisation intrinsisch im GRB-Jet erzeugt worden sein muss. Daraus folgt der verblüffende Befund, dass entweder die Verteilung der das Nachleuchten erzeugenden Elektronen sehr anisotrop sein muss, oder der Jet hohl und mit einem helikalen Magnetfeld umwickelt ist, beides entgegen der bislang üblichen Annahmen des Standardmodells. Dementsprechend sind neue Modelle zur Erklärung des GRB-Nachleuchtens nötig.

Die Entdeckung

Beobachtungen in einem selten genutzen Instrumentmodus durch eine internationale Forschergruppe haben neue, unerwartete Ergebnisse zur Natur von Gammastrahlen-Ausbrüchen (Gamma-Ray Bursts; GRBs) erbracht.

Diese Ergebnisse, heute in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht, schliessen die meisten derzeitigen Modelle für den Emissionsmechanismus des Nachleuchtens dieser Explosionen aus.

Erstmals wurde die sog. zirkulare Polarisation (siehe zusätzliche Informationen am Ende) im Nachleuchten eines GRBs entdeckt. Die Messungen gelangen mit dem FORS2 Instrument am 8.2m VLT Teleskop der ESO in Chile. Massgeblich unterstützt wurde die Interpretation durch gleichzeitige Messungen mit GROND am 2.2m Teleskop der Max-Planck Gesellschaft in La Silla (ESO, Chile).

Keine der verschiedenen Modelle des Nachleuchtens von GRBs hat zirkulare Polarisation vorhergesagt. Die nun signifikant gemessene zirkulare Polarisation bedeutet, dass unsere Vorstellungen über die Beschleunigung der Elektronen in der Schockwelle sowie die Struktur der Jets und des Magnetfeldes substantiell überarbeitet werden müssen." sagt Jochen Greiner, Mitautor der Arbeit.

Was sind Gammastrahlen-Ausbrüche?

Gammastrahlen-Ausbrüche sind die stärksten Explosionen im Universum. Typisch einmal pro Tag sehen unsere wissenschaftlichen Experimente auf Satelliten in der Erdumlaufbahn einen nur Sekunden dauernden Blitz von Gammastrahlung. Nach herkömmlicher Meinung entstehen diese Blitze, wenn in einer fernen Galaxie ein massereicher Stern (ca. 30 bis 50mal die Masse der Sonne) am Ende seines Lebens zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Bei diesem Kollaps wird ein zweiseitiger Jet ausgestossen, dessen Kollision mit der umgebenden interstellaren Materie das sogenannte Nachleuchten erzeugt, gewissermassen ein Nachglühen der Materie am Ort der Explosion. Dieses Nachleuchten ist über einige Tage in allen Wellenlängen zu sehen, inkl. im optischen Spektralbereich. Es entsteht in einer sich mit grosser Geschwindigkeit bewegenden Schockwelle, in der Elektronen zu extrem hohen Energien beschleunigt werden. Diese mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegenden Elektronen erzeugen dann, vermutlich durch Synchrotronstrahlung in einem in der Schockwelle erzeugten Magnetfeld, die Emission des Nachleuchtens.

Wie im Detail dieser Beschleunigungsprozess funktioniert, ist weitgehend unklar. Entsprechende Vorgänge sind auf der Erde im Labor nicht nachvollziehbar, und auch mit Computermodellen schwierig zu untersuchen. Deshalb versuchen Forscher alle Eigenschaften des emittierten Lichtes zu messen -- in zunehmendem Masse auch die Polarisationseigenschaften.

Es gibt mehrere Modelle für die Beschleunigung von Elektronen und den Emissionsmechanismus des Nachleuchtens. Alle diese Modelle sagen lineare Polarisation in einem bestimmten Masse voraus, aber alle sind sich einig darin, dass keine zirkulare Polarisation entsteht.

"Unsere Kollaboration ist die erste weltweit, welche die Wichtigkeit dieser technisch schwierigen Messungen erkannt hat, und systematisch auf besonders geeignete (helles Nachleuchten) GRBs wartet, um möglichst tiefe Grenzwerte zu erreichen", sagt der Erstautor der Studie, Klaas Wiersema, niederländischer Astronom an der University of Leicester (GB). Zu unserer aller Überraschung haben wir deutlich grössere zirkulare Polarisation gemessen als jemals vorhergesagt.

Unterstützende Beobachtungen mit GROND

Ehe die Polarisationsdaten interpretiert werden können, insbesondere um zwischen verschiedenen alternativen Möglichkeiten unterscheiden zu können, benötigt man zusätzliche Informationen zur Struktur des Jets, und zur weiteren Umgebung des GRBs, durch die die Strahlung zu uns gelangt. Zwei Parameter sind besonders wichtig:
1. Ab welchem Zeitpunkt sehen wir die Emission des ganzen Jets? Dieser kann aus dem Verhältnis von Öffnungswinkel des Jets und Expansionsgeschwindigkeit der Jet-Materie bestimmt werden. Ein klassisches Merkmal dieses Zeitpunktes ist das Abknicken der Lichtkurve des GRBs (Abb. 4), den wir mit unseren über mehrere Nächte andauernden GROND-Messungen zu 3.7x104 Sekunden nach dem GRB bestimmen konnten.
2. Wieviel Staub befindet sich entlang der Sichtlinie zwischen GRB und uns Beobachtern auf der Erde? Derartige Messungen sind gewöhnlich schwierig, aber GROND ist dafür wie geschaffen: durch die simultane Messung der Intensität des Nachleuchtens in 7 Farbbändern lässt sich die Staubmenge auf wenige Prozent genau bestimmen: Staub erzeugt eine charakteristische Krüung der spektralen Energieverteilung, die umso stärker ist, je grösser die Staubmenge ist (siehe Abb. 5).

"Die mit dem auch nach 7 Jahren Betriebszeit immer noch einmaligen GROND-Instrument gewonnenen Daten haben die für die Interpretation der Polarisationsdaten entscheidenden Parameter geliefert. Ohne diese Zusatzinformationen wäre die vorliegende Arbeit unmöglich gewesen, weil man zwisachen dem Dutzend alternativen Interpretationsmöglichkeiten nicht hätte unterscheiden können." sagt Jochen Greiner vom MPE Garching, Erfinder und Erbauer von GROND.

Wie kann man diese Beobachtung erklären?

Zirkulare Polarisation kann eine Reihe verschiedener Ursachen haben, u.a. Faraday Konversion (Umwandlung von linearer in zirkulare Polarisation durch Streuung an Staub), oder Mehrfachstreuung an ausgerichteten Staubkönern u.a. Aber alle diese Alternativen verlangen eine deutlich gr&ossere als die mit GROND gemessene Staubmenge, um den Grad an gemessener zirkularer Polarisation zu erklären, und scheiden deshalb aus. Weitere Alternativen zur Erzeugung zirkularer Polarisation würden implizieren, dass die gesamte lineare Polarisation nur durch Strueung hervorgerufen wird - was wiederum dadurch ausgeschlossen ist, weil wir die 90 Grad Drehung des Polarisationswinkels zwischen der ersten und zweiten Beobachtungsnacht gemessen haben. Insgesamt lassen sich derart alle extrinsischen Alternativen ausschliessen, nach denen die zirkulare Polarisation erst auf dem Weg zu uns entsteht. Stattdessen muss die beobachtete zirkulare Polarisation intrinsisch von dem GRB-Jet erzeugt worden sein.

Diese intrinsische Natur der zirkularen Polarisation erlaubt eine erste sehr interessante Schlussfolgerung: Da zirkulare Polarisation nicht in einem Elektronen-Positronen-Plasma erzeugt werden kann, muss der GRB Jet aus einem Protonen-Elektronen-Plasma bestehen. Dies ist insofern interessant, als durch die kürzlichen IceCube Messungen, bei denen keine Neutrinos von GRBs nachgewiesen werden konnten, starke Zweifel an dem Vorhandensein von Protonen in den GRB-Jets aufgekommen sind.
"Die Entdeckung von zirkularer Polarisation in GRB 121024A gibt neue Hoffnung, dass die zukünftigen IceCube Messungen doch noch die heiss ersehnten Neutrinos nachweisen werden." sagt Jochen Greiner.

Der Ursprung der zirkularen optischen Polarisation im Nachleuchten des GRB 121024A ist ein aufregendes Puzzle. Intrinsische Polarisation von der in das interstellare Medium laufenden Schockwelle sollte umgekehrt proportional zu dem Lorentzfaktor der chaotisch sich bewegenden Elektronen sein, die die optische Strahlung aussenden - unter der Annahme einer isotropen Winkelverteilung der Elektronen relativ zur Expansionsrichtung des Jets. Die grosse beobachtete zirkulare Polarisation bedeutet deshalb extrem kleine Werte für den Lorentzfaktor der Elektronen, völlig inkonsistent mit dem Standardszenario des Nachleuchtens. Diese Schlussfolgerung ist unabhängig davon, ob das Magnetfeld grossräumig geordnet ist oder nicht (Abb. 6), da ein ungeordnetes Feld sowohl die lineare als auch die zirkulare Polarisation gleichermassen beeinflusst.

Unsere GROND Daten sowie die gleichzeitige Messung von linearer und zirkularer Polarisation lassen deshalb nach derzeitiger Kenntnis nur zwei Erklärungsmöglichkeiten übrig:
(1) Die Winkelverteilung der Elektronen ist anisotrop. Dies ist ebenfalls entgegen der üblichen Annahme im Standardmodell, allerdings schon für andere unerklärliche Effekte bei GRBs vorgeschlagen worden, für die aber keine keinerlei experimentellen Beweise erbracht werden konnten.
(2) Der Jet ist nicht homogen, sondern innen hohl, und hat ein sich aussen um den Jet wickelndes helikales Magnetfeld (Abb. 7), in der Form ähnlich wie ein Korkenzieher, nur mit zunehmendem Durchmesser der Windungen. Auch hohle Jets sind in der Vergangenheit schon als eine von mehreren Möglichkeiten vorgeschlagen worden, aber auch dafür liessen sich keine experimentellen Beweise erbringen.

Soweit wir derzeit wissen, erfordert die gemessene zirkulare Polarisation eine dieser beiden Alternativen. Beide Fälle ziehen jeweils weitere unvermeidliche Konsequenzen nach sich, die es jetzt gilt, systematisch gegen die vorhandenen vielfätigen Beobachtungsbefunde zu testen. Mit dieser Messung ist eine neue Runde in der Iteration unseres Standardmodelles des GRB Nachleuchtens eingeläutet, und man darf mit Spannung die Neuerungen erwarten.

"Diese Entdeckung demonstriert wieder einmal, wie wichtig die kleinen Teleskope für die Interpretation der Daten der Grossteleskope wie des VLT der ESO sind." sagt Sylvio Klose von der Landessternwarte Thüringen, Mitautor dieser Studie und Mitglied der GROND-Gruppe.

Bilder



Abb. 1: Änderung der linearen Polarisation des Nachleuchtens mit der Zeit (ungefähr zwei Tage). Das obere Panel zeigt den Anteil des polarisierten Lichtes in Prozent, das untere den Polarisationswinkel. Rote Kreise sind für GRB 121024A vom Oktober 2012, grüne Kreise für den früheren GRB 091018 vom Oktober 2009. Die Änderung des Polarisationswinkels um 90 Grad um die Zeit t/tbreak=1 entspricht den Vorhersagen des Jet-Modells von GRBs.


Abb. 2: Die gemessene zirkulare Polarisation im Nachleuchten von GRB 121024A (links) und als Vergleich das Null-Resultat im Nachleuchten von GRB 091018. Die zirkulare Polarisation wird ausgedrückt durch den sogenannten Stokes V/I Parameter und ist in Prozent angegeben.


Abb. 3: Die für verschiedene GRBs in derem Nachleuchten gemessene lineare und zirkulare Polarisation. Als Vergleich werden zudem Messwerte für einige Quasare angegeben. Gut zu erkennen, GRB 121024A sticht deutlich durch seinen relativ hohen Grad an zirkularer Polarisation heraus.


Abb. 4: Die Lichtkurve des optischen/Nah-Infrarot Nachleuchtens von GRB 121024A in sieben photometrischen Bändern (GROND; Bildmitte) und (oben) im Röntgenband (Swift-Satellit). Ihr kann man entnehmen, dass um eine Zeit von t= 10 Stunden (tbreak) nach dem Burst eine Beschleunigung der Helligkeitsabnahme eintrat, ein deutlicher Hinweis auf eine in einem Jet kollimierte Explosion.


Abb. 5: Die spektrale Energieverteilung im Nachleuchten von GRB 121024A vom Optischen/Infrarot (GROND; blaue Punkte) bis zum Röntgenband (Swift-Satellit; grüne Punkte) rund 3 Stunden nach dem Burst. Die geringe Abweichung der GROND Daten (blaue Punkte) von der geraden Linie impliziert geringe Mengen an Staub, und schliesst damit Staub-induzierte Polarisation in der gemessenen Stärke aus.
Die gestrichelten Linien zeigen die Modelle der Extinktion durch Staub (links) und Absorption durch Gas (rechts).


Abb. 6: Schema eines GRB-Jets (nur eine Seite des zweiseitigen Jets gezeigt), dessen Konus vollständig mit Materie gefüllt ist (links). Das mittlere und rechte Bild zeigen die Ansicht von rechts in den Jet hinein, wobei es für die Struktur des Magnetfeldes zwei Alternativen gibt: entweder das Magnetfeld ist geordnet (Mitte), oder es ist chaotisch (rechts). Aber in beiden Fällen sehen wir nur kleine Volumina des Jets (gelbe Kreise), die von einem Zeitpunkt zum nächsten variieren), aber nicht grosse Teile des Jets (lila Kreise).


Abb. 7: Schema eines GRB-Jets mit hohlem Kern, und einem in der äusseren Schicht helikal aufgewickelten Magnetfeld (rote und grüne Linien).

Zusätzliche Informationen

Was ist polarisiertes Licht?

Linear polarisiertes Licht:
Neben der heutzutage zunehmenden Anwendung in der Fernseh-Technik ist der Nutzen von optischen Polarisationsfiltern seit langem den Amateur- und professionellen Fotografen gut bekannt, lassen sich derart doch störende Reflexionen an zum Beispiel Wasser oder Glas erfolgreich unterdrücken. Bei linearen Polarisationsfiltern lassen spezielle optische Gläser oder Folien nur solche Lichtwellen hindurch, deren Ausrichtung mit der Kristallstruktur des Filters übereinstimmt. Was den Filter letztlich passiert, ist linear polarisiertes Licht. Es sind Lichtwellen, die nur in einer Richtung schwingen.

Zirkular polarisiertes Licht:
Zirkular polarisiertes Licht kann man sich als Lichtwellen vorstellen, bei denen die Schwingungsebene nicht konstant im Raum fixiert ist, sondern sich entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle wie ein Korkenzieher dreht, und dabei seine Amplitude nicht ändert.

Vorkommen auf unserer Erde:
In unserer natürlichen Umgebung kommt linear polarisiertes Licht vor, wenn Lichtwellen unter bestimmten Winkeln reflektiert oder an sehr kleinen Teilchen gestreut werden. Zum Beispiel ist das blaue Licht des Himmels teils linear polarisiert. Zirkular polarisiertes Licht ist in der Natur noch weniger häufig vertreten. Es kann jedoch bei der Mehrfachreflexion von Licht auftreten, sofern geeignete Reflexionswinkel vorkommen. Auch einige organische Materialien können zirkular polarisiertes Licht emittieren. Allerdings wird es regelmässig in 3D Filmen benutzt, um die Illusion von Tiefe zu erzeugen: durch spezielle Brillen bekommt jedes Auge ein anderes Bild zu sehen.

Was ist GROND?

GROND steht für "Gamma-Ray Burst Optical Near-Infrared Detector". Es ist eine Instrumentenentwicklung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) Garching unter Mitarbeit der Thüringer Landessternwarte Tautenburg. GROND benutzt optische Teilerplatten, um das Sternlicht in sieben photometrische Bänder aufzuteilen. Es ist damit weltweit die erste astronomische Kamera, welche simultane Beobachtungen von rund 400 bis 2300 nm Wellenlänge erlaubt, d.h. vom optischen bis in den nahen infraroten Spektralbereich. Man kann GROND als eine Fotokamera beschreiben, mit der gleichzeitig Aufnahmen in sieben Regenbogenfarben gemacht werden.

GROND ist in seiner technischen Spezifikation (Gesichtsfeld, Software-Ansteuerung, Teleskop-Anbindung) optimiert für Nachfolgebeobachtungen von GRBs. GROND reagiert dabei auf die Detektion solcher Ereignisse mit dem Ende 2004 gestarteten NASA-Satelliten Swift. Was Swift im Erdorbit im Gammastrahlenband detektiert und geortet hat, wird dann von GROND am Erdboden im Optischen/Nahen Infrarot weiterverfolgt. Aus der in sieben photometrischen Bändern simultan beobachteten Lichtkurve einer Explosion können dann deren physikalische Details aufgeklärt werden.

Die GROND-Kamera ist seit Sommer 2007 im regulären Beobachtungsbetrieb am 2.2-m-Teleskop der Max-Planck-Gesellschaft in den chilenischen Anden und arbeitet seither höchst zuverlässig. Pro Jahr werden mit GROND zwischen 50 bis 100 Gammaburst-Explosionen untersucht. Viele Ergebnisse werden dabei durch die Mitglieder der Arbeitsgruppe noch in der Nacht ihrer Beobachtung ausgewertet und in Form von elektronischen Zirkularen unter der astronomischen Wissenschaftlergemeinde weltweit verbreitet. Ob an Sonn- oder Feiertagen, GROND kennt dabei keine Pausen und ist zum weltweit datenträchtigsten Instrument für rasche GRB-Nachfolgebeobachtungen geworden.

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Kontakt

Jochen Greiner
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
81379 Garching
Tel.: 089-30000-3847
E-Mail: jcg@mpe.mpg.de

Karla Varela
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
81379 Garching
Tel.: 089-30000-3359
E-Mail: kvarela@mpe.mpg.de

Sylvio Klose
Thüringer Landessternwarte
07778 Tautenburg
Tel.: 036427-863-53
E-Mail: klose@tls-tautenburg.de

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Last modified: Fri May 16 17:50:24 MEST 2014