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  Aktuelle Forschung :: April 2007 Zur Übersicht

Wie entsteht ein Gammastrahlen-Ausbruch?

Gammastrahlen-Ausbrüche (englisch: Gamma-ray bursts) sind die hellsten Lichtausbrüche im Universum seit dessen Anfang, dem Urknall. Es sind Lichtblitze im Wellenlängenbereich der Gammastrahlen, sie erscheinen am Himmel, ihre Verteilung in Ort und Zeit sind zufällig. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik haben in der Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlung unter extremen Bedingungen eine Erklärung für dieses Phänomen gefunden.

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.

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.

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 linkPfeil.gif 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; linkPfeilExtern.gif 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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Letzte Änderung: 29.3.2007