Magnetfelder als Ursache für Gammastrahlenblitze
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Sind Magnetfelder das Schlüsselelement für die Erklärung der kosmischen Gammastrahlenblitze? Neueste Rechnungen am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) zeigen, dass starke Magnetfelder für einige der beobachteten Eigenschaften der Blitze verantwortlich sein können. Sie verursachen nicht nur die starke Beschleunigung vom Explosionszentrum weg, sonder heizen gleichzeitig das ausgeworfene Material im Fug auf. So kann hochenergetische Strahlung emittiert werden, die als Gammastrahlenblitz wahrgenommen wird.
Etwa einmal am Tag beobachtet man mit Satelliten einen Gammastrahlenblitz (englisch: Gamma-ray burst, GRB) irgendwo am Himmel. Für ein paar Sekunden empfangen die Messgeräte dabei kurzwellige Gammastrahlung aus einem winzigen Bereich des Himmels, die stärker ist als alle anderen Gammaquellen zusammen. Die Lichtkurven dieser Blitze sind sehr unterschiedlich, wie in Abbildung 1 illustriert.
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| Abbildung 1: Beispiel-Lichtkurven von Gammastrahlenblitze wie sie vom BATSE Detektors des Compton Gamma Ray Observatory der NASA detektiert werden. Aufgetragen sind die Anzahl der registrierten Photonen pro Sekunde mit Energien von über 20 keV über den zeitlichen Verlauf in Sekunden. Lichtkurven können eine sehr variable, chaotische Struktur haben (links) aber auch relativ einfach aussehen (rechts). Kein Blitz ist wie der andere. Die Lichtkurven des BATSE Detektors sind alle online abrufbar. |
Zusätzlich zu der hochenergetischen Strahlung sieht man ein Nachglühen bei Röntgen-, Visuellen-, und Radiowellenlängen. Dieses Nachglühen dauert, je nach Wellenlängenbereich, über Tage, Wochen und Monate.
Seit der Entdeckung des ersten Gammastrahlenblitzes vor etwa 30 Jahren rätselt man, was diese Blitze verursacht. Erst 1997 wurde bewiesen, dass die Quellen der Blitze sehr weit entfernt sind. Damit ein Objekt durch das halbe Universum sichtbar ist, muss eine enorme Energie freigesetzt werden.
Aus der großen Energie, der schnellen Variabilität und dem Spektrum der Strahlung kann gefolgert werden, dass ein oder mehrere kompakte Objekte (schwarzes Löcher, Neutronensterne) beteiligt sein müssen. Die Gammastrahlung selbst stammt aus einem Materieausfluss, welcher mit mehr als 99.995% der Lichtgeschwindigkeit auf uns zu kommt. Ein Modell für Gammastrahlenblitze muss daher zwei kritische Fragen beantworten:
Beide Phänomene, die große Beschleunigung und die Strahlung, können mit Hilfe von Magnetfeldern erklärt werden. Starke Magnetfelder werden von einer Reihe von theoretischer Szenarien für Gammastrahlenblitze postuliert. Beispielsweise könnte ein Magnetfeld aus einem schnell rotierenden Neutronenstern ausbrechen oder entstehen wenn ein Neutronenstern mit einem Schwarzen Loch verschmilzt. Ein kompaktes rotierendes Objekt mit Magnetfeld produziert, vergleichbar einer Antenne, eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle.
Plasma, welches vom zentralen Objekt mit ausgeworfen wird, verursacht einige interessante Effekte im Magnetfeld. In der auslaufenden Welle wechseln sich Bereiche mit unterschiedlich ausgerichteten Feldlinien ab. Durch Instabilitäten können sich Materieelemente, bei denen die Magnetfelder unterschiedlich orientiert sind, sehr nahe kommen. Dabei wird die Energie des Magnetfelds freigesetzt und auf das Plasma übertragen. Abbildung 2 illustriert das Prinzip dieses Vorganges.
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| Abbildung 2: Vereinfachte 2-dimensionale Skizze eines zerfallenden Magnetfeldes. Unterschiedlich orientierte Magnetfeldlinien (schwarze Pfeile) werden durch den Plasmafluss (rote Pfeile) zusammengebracht. Am Treffpunkt in der Mitte heben sich die Felder auf und die magnetische Energie wird lokal in thermische Energie (gelb-orange angedeutet) umgewandelt. Realistischer sind 3-dimensionale und ungeordnete Prozesse. |
Unsere Rechnungen zeigen, dass der magnetisierte Ausfluss nicht nur stark beschleunigt sondern auch aufgeheizt wird. Das heiße Plasma im Magnetfeld verursacht wiederum die hochenergetische Strahlung. Abbildung 3 illustriert einen solchen Ausfluss. Mit diesem Model lassen sich die zwei entscheidenden Fragen bezüglich der Plasmabeschleinigung und der Ursache der Strahlung schlüssig beantworten.
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| Abbildung 3: Schematische Darstellung der Explosion. Die zentrale Quelle (gelb) erzeugt unterschiedlich orientierte Magnetfelder (schwarze Pfeile). Durch den Magnetfeldzerfall beschleunigt sich der Ausfluss (rote Pfeile) und es entsteht hochenergetische Strahlung (blaue Schlangenlinien). |
Last modified: Tue Feb 5 10:42:25 MET 2002