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Abb. 1:
Simulation des Spektrums der erwarteten Strahlung eines magnetisch
ausgelösten Gammastrahlen-Ausbruchs. Eine wichtige Eigenschaft des
Gasstroms ist das Verhältnis von Leuchtkraft zu Massenfluss, η,
ein Mass für die sog. "Reinheit". Für hohe Werte η liegen
die Maxima der Spektren bei etwa 1000 keV. Der abgeflachte Teil bei
höheren Energien resultiert aus der Streuung von Photonen an heissen
Elektronen im Gasstrom. Bei niedrigem η hört die
magnetische Annihilation unterhalb der Photosphäre auf. Das Spektrum
ist dann quasi-thermisch.
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Abb. 2:
Die Abbildung zeigt ein Bespiel dafür, wie man aus Beobachtungen
auf die Eigenschaften
des schnell bewegten Gases schliessen kann:
Die Lichtkurve eines Gammastrahlen-Ausbruchs besteht aus vielen
Pulsen, deren Breite mit der Energie der Photonen abnimmt. Die
Beobachtungen zeigen andererseits, dass das Maximum des Spektrums mit der
Leuchtkraft des Ausbruchs zunimmt. Beides ist auch ersichtlich in den
Ergebnissen der theoretischen Berechnungen, für den Fall, dass die
stärksten Ausbrüche auch die mit höherer "Reinheit" sind. Die
Abbildung zeigt die vorhergesagten weniger breiten Pulse für
höhere Photonen Energie.
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Die Gammastrahlen-Ausbrüche werden von Satelliten beobachtet, etwa
einer pro Tag. Die Emission der Gammastrahlen kann Millisekunden bis zu
vielen Minuten dauern, es folgt, bevor sie ganz verschwinden, ein
sog. "Nachglühen" in Strahlung
niedrigerer Energie (Röntgenstrahlen, Licht im ultravioletten,
optischen und infra-roten Bereich, bis hin zur Radiostrahlung).
Die Mehrzahl der beobachteten Ausbrüche scheint
mit dem Ende der Entwicklung sehr massereicher Sterne
zusammenzuhängen, wenn der innerste Teil des Sterns zu einem Schwarzen
Loch kollabiert (das geschieht bei Sternen, die die 40-fache Masse
unserer Sonne oder noch mehr haben). Eine Teilklasse der
Gammastrahlen-Ausbrüche (Ausbrüche kurzer Dauer) scheint durch
einen anderen Prozess verursacht, vielleicht den Zusammenstoss von
zwei einander umkreisenden Neutronensternen.
Seit vielen Jahren ist bekannt, dass Materie mit nahezu
Lichtgeschwindigkeit hinausgeschleudert
werden muss um die Ausbrüche zu erklären. Wie die Beschleunigung
genau geschieht, sowie der Emissionsmechanismus selbst, war bis jetzt
unbekannt. Neue theoretische Untersuchungen zeigen, dass Magnetfelder
der Schlüssel für
die Erklärung der Gammastrahlen-Ausbrüche sein könnten
(siehe 
Aktuelle Forschung Februar 2002).
Die
Annihilation der Magnetfeldlinien (gegenseitige Aufhebung) verursacht
nicht nur eine starke
Beschleunigung der Materie, sondern bringt diese auch zum Glühen.
D. Giannios und H. Spruit am Max-Planck-Institut für Astrophysik
untersuchten genauer wie Strahlung und Materie in diesen
stark magnetischen Strömungen wechselwirken. Ihre Analyse ergab, dass der
Ausbruch am wahrscheinlichsten in einer bestimmten Entfernung vom
Zentrum der Explosion entsteht, nämlich da, wo die
Wechselwirkung von Strahlung mit Materie aufhört (an der
sog. Photosphäre). Dort heizt die Energie, durch die
magnetische Annihilation frei wird, den Materiestrom. Strahlung, die von der
Materie mitgeführt wird, wird gestreut am heissen Material und
gewinnt dabei Energie. Numerische Simulationen zeigen, dass das Spektrum der
Strahlung dieses heissen Gases dem beobachteten
Gammastrahlen-Spektrum sehr ähnlich ist.
Die Rechnungen stellen einen direkten Zusammenhang zwischen den
Eigenschaften des schnell bewegten Gases und dem abgestrahlten
Spektrum her. Das ist ein sehr interessantes Resultat, da es erlaubt
aus den Beobachtungen Schlüsse auf die Ursache des
Ausbruchs zu ziehen. Es sind inzwischen Tausende von Ausbrüchen
beobachtet worden aus denen man über diese wenig verstandene Phase
der Gammastrahlen-Ausbrüche lernen kann.
Dimitrios Giannios
Publikationen
D. Giannios,
"Prompt emission spectra from the photosphere of a GRB",
A & A, 457, 763(2006);
D. Giannios and H. C. Spruit,
"Spectral and timing properties of a dissipative GRB photosphere",
A & A, im Druck;
 astro-ph/0611385
Kontakt
Dr. Dimitrios Giannios, Max-Planck-Institut für Astrophysik,
Tel. 089/30000 2269, Email: giannios  mpa-garching.mpg.de
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