Was treibt die mächtigsten Explosionen im Universum an?

Der physikalische Prozess, der Gamma-Strahlenausbrüchen ihre Energie verleiht, könnte doch Synchrotronstrahlung sein.

21. Oktober 2019

Eine neue Analyse der Fermi/GBM-Archivdaten von Gammastrahlenausbrüchen (GRB), den energiereichsten Objekten im Universum, hat ergeben, dass der Prozess, der diese Emission erzeugt, tatsächlich Elektronen sein könnten, die von nahezu-relativistischen Geschwindigkeiten durch ein Magnetfeld abgekühlt werden. Diese so genannte Synchrotronstrahlung wurde in früheren, eher indirekten Analysen ausgeschlossen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik konnten nun aber einen Großteil von GRB-Spektren mit einem idealisierten Synchrotronmodell erklären - ein überzeugendes Argument für diesen Prozess.

Gammastrahlenausbrüche (GRB) sind die energiereichsten Quellen im Universum: In wenigen Sekunden gibt ein typischer GRB mehr Energie ab als die Sonne in ihrer gesamten Lebenszeit. Auch wenn es inzwischen einige Fortschritte gab bei der Identifizierung der Vorläufer verschiedener Arten von GRBs, ist der physikalische Ursprung ihrer Emission weiterhin unbekannt. Die Synchrotronemission, d.h. die Strahlung, die von geladenen Teilchen emittiert wird, die auf irgendeine Weise abgelenkt werden, war einer der ersten Kandidaten. Dieser Prozess wurde aber abgelehnt, da er einige der Eigenschaften der beobachteten GRB-Spektren nicht erklären konnte. Alternativ wurden die GRB-Spektren mit anderen Modellen, z.B. mit Schocks, verglichen; es gab aber immer wieder einzelne Systeme, die bestimmte Grenzen dieser Modelle überschritten.

Die spektrale Energieverteilung der in dieser Studie analysierten GRBs. Die obere Grafik zeigt, wie sich die Synchrotronemission ändert, wenn unterschiedliche Kühlraten vorliegen. Die Kurven unten zeigen Vorhersagen aus früheren empirischen Modellen für alle untersuchten Spektren und sind nach der mittleren Kühlzeit im Synchrotronmodell geordnet (von oben nach unten).

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) hat die Synchrotron-Idee erneut aufgegriffen und die Archivdaten mehrerer GRBs neu analysiert, die in den letzten zehn Jahren mit dem Fermi Gamma-Ray Burst Monitor beobachtet wurden. Sie wählten eine Teilmenge von GRBs mit bekanntem Abstand (d.h. Rotverschiebung) und einer einzigen kontinuierlichen, pulsartigen Struktur, die höchstwahrscheinlich auf ein einzelnes physikalisches Ereignis zurückzuführen ist. Für ihre Stichprobe von fast 200 beobachteten GRB-Spektren simulierten die Wissenschaftler die Synchrotronemission von Elektronen und schickten diese direkt (aber virtuell) durch den Detektor. So konnten sie künstliche Beobachtungen erstellen und diese Modelle direkt mit den Daten vergleichen.

"Wir wollten die einfachsten Synchrotronmodelle testen, die eine zeitabhängige Kühlung der Elektronen beinhalten. Die Modelle sind zwar idealisiert, aber der beste Ausgangspunkt", erklärt J. Michael Burgess, Erstautor der jetzt in Nature veröffentlichten Studie. "Jedes Spektrum wurde individuell angepasst und strengen Tests unterzogen, was zu einem überraschend hohen Anteil an gut passenden Spektren mit nur einem einzigen Spektralmodell führte."

Der Grund dafür, dass Synchrotronstrahlung lange Zeit abgelehnt wurde, liegt darin, dass die Forscher aufgrund der begrenzten Leistung von Computern in der Vergangenheit mit einfachen Tests untersucht hatten, ob die beobachtete Gammastrahlung wie ein Synchrotron aussah. Diese Tests überprüften, ob verschiedene, einem Synchrotron ähnliche Formen (aber nicht die Synchrotronstrahlung selbst) dem Gamma-"Regenbogen", d.h. der beobachteten Energieverteilung, ähneln. Viele Forscher waren sich einig, dass die beobachteten Formen nicht wie ein Synchrotron aussehen.

In einem GRB kollabiert ein massereicher Stern zu einem schwarzen Loch und sendet einen Jet aus, der sich mit fast Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. In diesem Jet werden Elektronen durch Schockfronten beschleunigt und strahlen Synchrotronstrahlung aus, wenn sie durch Magnetfelder abgekühlt werden. Diese Strahlung kann dann mit Teleskopen wie dem Fermi Gamma-Ray Burst Monitor beobachtet werden.

Da Computer inzwischen aber deutlich leistungsfähiger und die Methoden zur Analyse der Daten von Satelliten weiter fortgeschritten sind, konnte das Team nun direkt simulieren, wie die vom Synchrotronprozess stammende Strahlung beobachtet würde, und alle Eigenschaften der Energieverteilung mit den tatsächlichen Daten vergleichen. Als kritisches Element des Synchrotronmodells erwies sich ein Magnetfeld, das die Elektronen abbremst und sie von ihren relativistischen Energien "abkühlt". Die Menge der Kühlung variiert jedoch zwischen den verschiedenen GRBs; in einigen GRBs fanden die Forscher sogar, das die Kühlung selbst einer Entwicklung unterlag.

"Die Fähigkeit, so viele GRB-Spektren auf einmal mit einem einzigen Modell zu modellieren, ist sehr überzeugend", sagt Jochen Greiner, Gamma-Wissenschaftler am MPE. "Und da wir davon ausgehen, dass die GRB-Lichtkurven mit mehr Struktur eine Überlagerung von Einzelpulsen sind, hoffen wir, dass wir unsere Analyse auf alle GRBs anwenden können." Da sich diese einzelnen Impulse jedoch überschneiden, benötigen die Wissenschaftler weitergehende Vorhersagen über die zeitliche Entwicklung der Emission.

Der nächste Schritt wird darin bestehen, nicht nur die Form der Spektren zu erklären, sondern auch die Quelle für die gesamte, riesige Energieproduktion. Dies bedeutet, dass die Dynamik und Beschleunigung von Teilchen in mäßig magnetisierten astrophysikalischen Flüssen genauer untersucht werden muss.

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