Rasende Explosionen

Mit Hilfe eines robotischen Teleskops gelang es erstmals, die Explosionsgeschwindigkeiten von zwei Gammastrahlenausbr�chen zu bestimmen. Die dabei ausgeworfene Materie bewegt sich mit 99,9997 Prozent der Lichtgeschwindigkeit vom Ort der Explosionen fort.

Bildzoom — **Das REM-Teleskop im Einsatz**

Gammastrahlenausbr�che sind extrem energiereiche Explosionen innerhalb weit entfernter Galaxien. Sie sind derart stark, dass sie kurzzeitig die Leuchtkraft der gesamten Galaxie um ein Vielfaches �bertreffen. Allerdings halten Gammastrahlenausbr�che nur kurz an, die beobachteten Dauern liegen zwischen weniger als einer Sekunde bis zu einigen Minuten.

Schon seit l�ngerem vermuten Forscher, dass sich die explodierende Materie bei der Freisetzung solch enormer Energiemengen mit extrem hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen m�sse. Beobachtet man die zeitliche Entwicklung der Helligkeit des Gammastrahlenausbruchs genau, so l�sst sich die Geschwindigkeit der Explosion pr�zise ermitteln.

Am 18. April und am 7. Juni 2006 registrierte der NASA-Satellit Swift jeweils einen starken Gammastrahlenausbruch. Innerhalb weniger Sekunden wurde die jeweilige Position am Himmel ermittelt und zur Erde gefunkt. Daraufhin schwenkte ein 60-cm-Teleskop auf La Silla in Chile innerhalb von rund 40 Sekunden auf den entsprechenden Himmelsausschnitt und konnte das Nachleuchten im infraroten Licht aufzeichnen. Daraus lie� sich eine Lichtkurve aufstellen. Die beiden Ausbr�che fanden in 9,3 beziehungsweise 11,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung statt.

Bei beiden Ausbr�chen stieg zun�chst die Helligkeit im Infraroten an und erreichte nach etwa 160 Sekunden ihren H�hepunkt, um danach relativ rasch wieder abzufallen. Nur selten lie� sich bislang das Maximum des infraroten Nachleuchtens und der weitere zeitliche Verlauf aufzeichnen. Aus der Lichtkurve konnte das Forscherteam um Emilio Molinari am Observatorium von Brera (Italien) die Ausbreitungsgeschwindigkeit der explodierenden Materie direkt ermitteln. In beiden F�llen betrug sie jeweils 99,9997 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ist die maximal h�chste m�gliche Geschwindigkeit in unserem Universum. Sie betr�gt rund 300000 Kilometer pro Sekunde.

Zur Angabe der Ausbreitungsgeschwindigkeit bedienten sich die Forscher des Lorentz-Faktors. Er ist ein Ma� daf�r, wie nahe die Geschwindigkeit eines Objekts der Lichtgeschwindigkeit kommt. Bei Objekten, die sich im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit nur langsam bewegen, liegt der Lorentz-Faktor nahe bei 1, bei den beobachteten Gammastrahlenausbr�chen bei rund 400. Eine genaue Definition des Lorentz-Faktors finden sie hier.

Tats�chlich ist es relativ einfach m�glich, einzelne Teilchen auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die noch wesentlich n�her an der Lichtgeschwindigkeit liegen. Die Masse der in den beiden Gammastrahlenausbr�chen beschleunigten Materie muss aber mindestens das 200-fache der Erdmasse betragen haben. "Man m�chte dieser Materie m�glichst nicht in die Quere kommen," sagte das Teammitglied Susanna Vergani. Allerdings ist nach wie vor unklar, welcher Mechanismus derart gro�e Mengen von Materie so stark beschleunigen kann.

F�r die Messungen verwendet das Team das REM-Teleskop, ein relativ kleines Spezialteleskop, welches auf einer schnell schwenkbaren Montierung mit der Bezeichnung "Rapid Eye Mount (REM)" angebracht ist. Das speziell f�r die Beobachtung des infraroten Nachleuchtens von Gammastrahlenausbr�chen konzipierte Instrument l�sst sich innerhalb weniger Sekunden auf jede Region des Himmels ausrichten.

TA

1. Gammastrahlen-Burst

14.06.2007, Dr. Stefan Fr�nzle, D-02763 Zittau

Liebe Kollegen,

auf der SuW-Internetseite �Aktuelles� wurde k�rzlich der Inhalt einer Pressemitteilung der Europ�ischen S�dsternwarte �ber einen Gammastrahlen-Burst (GRB) wiedergegeben, in dem gesagt wurde, dass in dem dabei entstandenen relativistischen Jet die 200-fache Erdmasse auf 99.9997 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, bei der die kinetische Energie des Materials das 400-fache der Ruhemasse ist.

Bezieht sich die Angabe �200-fache Erdmasse� (also ca. Jupitermasse) des Auswurfs auf dessen Ruhemasse oder den hier beobachteten hoch
relativistischen Zustand?

F�r gew�hnliche Supernovae (also nicht Objekte, die GRB produzieren) sind meines Wissens der Aussto� von Materie�klumpen� dieser Gr��enordnung (0.001 Sonnenmassen) durchaus typisch. Wenn hier aber die Ruhemasse gemeint sein sollte, ergibt sich eine kinetische Energie im �quivalent einer Viertel Sonnenmasse (200 x 400 = 80 000 Erdmassen) f�r die Auswurfmasse. Zwar setzt der Gravitationskollaps eines Sterns mit vielleicht 70 Sonnenmassen als GRB-Vorl�ufer ein Vielfaches dieser Energiemenge frei, aber die m�sste dann ja noch �irgendwie�, sprich sehr selektiv in doch relativ wenig Material eingekoppelt werden, um dieses derart zu beschleunigen. Gibt es Andeutungen einer Vorstellung, wie eine solch selektive Beschleunigung, vermutlich als geb�ndelter Jet bewirkt werden k�nnte?

Mit freundlichen Gr��en
Stefan Fr�nzle

Antwort der Redaktion:
Ja, hier war in der Tat die Ruhemasse gemeint. Diese Ereignisse �bersteigen wahrlich jede Vorstellungskraft, sogar die von hartgesottenen Astronomen. Deshalb ist derzeit auch noch nicht klar, wie die Jet-Beschleunigung wirklich funktioniert. Die danach folgende Expansion und Energie-Abstrahlung des Jets scheint dagegen bereits recht gut verstanden zu sein.

Allerdings ist die gesamte kinetische Energie im Jet doch wohl deutlich weniger als ein Viertel einer Sonnenmasse. Wenn man die Originalarbeit von Molinari und Kollegen genau liest, dann stellt man fest, dass die �200-fache Erdmasse� die sog. isotrope �quivalentmasse des Jets ist. Das ist die (Ruhe-)Masse, die im Jet steckte, wenn er kugelsymmetrisch w�re. In Wahrheit �berdeckt die Winkeloffnung des Jets wohl weniger als ein Prozent der Vollkugel. Aber ist es nicht immer noch unglaublich, dass hier im Bruchteil einer Sekunde zwar nicht 80 000, aber immerhin Hunderte von Erdmassen in pure kinetische Energie verwandelt werden? Bei der Sonne sind es grade mal ein paar Dutzend Erdmassen in einer Jahrmilliarde.

Ulrich Bastian