Die NASA blickt auf 50 Jahre Forschung zu Gammastrahlenausbrüchen zurück

Vor fünfzig Jahren, am 1. Juni 1973, wurden Astronomen auf der ganzen Welt mit einem mächtigen und verwirrenden neuen Phänomen namens GRBs (Gammastrahlenausbrüchen) konfrontiert. Heutzutage entdecken Sensoren auf umlaufenden Satelliten wie den Swift- und Fermi-Missionen der NASA durchschnittlich etwa einmal am Tag einen GRB irgendwo am Himmel. Astronomen gehen davon aus, dass die Ausbrüche auf katastrophale Ereignisse zurückzuführen sind, an denen Sterne in fernen Galaxien beteiligt sind und die vermutlich zur Entstehung neuer Schwarzer Löcher führen.

„Ich kann mich noch an die Aufregung erinnern, als Gammastrahlenausbrüche entdeckt wurden“, sagte Charles Meegan, ein Forscher an der University of Alabama in Huntsville, der an der Entwicklung von GRB-Detektoren auf den Compton- und Fermi-Satelliten der NASA beteiligt war. „Ich war damals Doktorand und wusste nicht, dass die Erforschung dieser seltsamen Ereignisse in den nächsten 50 Jahren meine berufliche Laufbahn sein würde.“

Weiträumige Schübe

Bei GRBs ist fast alles extrem. Sie treten so weit außerhalb unserer Galaxie auf, dass selbst der nächste bekannte Ausbruch mehr als 100 Millionen Lichtjahre entfernt explodierte. Jeder Ausbruch erzeugt einen ersten Impuls aus Gammastrahlen, der energiereichsten Form von Licht, der typischerweise Millisekunden bis Minuten dauert. Diese Emission entsteht durch einen Partikelstrahl, der sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und in unsere Richtung geschleudert wird. Je näher wir direkt in den Lauf blicken, desto heller erscheint er. Auf diese sofortige Emission folgt ein verblassendes Nachleuchten von Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolettem, sichtbarem, infrarotem und Radiolicht, das Astronomen möglicherweise stunden- bis monatelang verfolgen können.

Auch ein halbes Jahrhundert später bieten GRBs Überraschungen. Ein kürzlich aufgetretener Ausbruch war so hell, dass er die meisten Gammastrahlendetektoren im Weltraum vorübergehend blendete. Die 7-minütige Explosion mit dem Spitznamen BOAT (für hellste aller Zeiten) war möglicherweise die hellste GRB in den letzten 10.000 Jahren. Es zeigte sich auch, dass die vielversprechendsten Modelle dieser Ereignisse der Wissenschaftler noch lange nicht vollständig sind.

Atombeobachter

Die GRB-Geschichte beginnt im Oktober 1963, als ein von den Vereinigten Staaten, dem Vereinigten Königreich und der Sowjetunion unterzeichneter Vertrag in Kraft trat, der die Erprobung von Atomwaffen in der Atmosphäre, unter Wasser oder im Weltraum verbot. Um die Einhaltung sicherzustellen, leitete die US-Luftwaffe eine nicht klassifizierte Forschungs- und Entwicklungsmaßnahme zur Erkennung von Atomtests aus dem Weltraum. Eine Woche nach Inkrafttreten des Vertrags begannen die ersten beiden dieser Satelliten, Vela (spanisch „beobachten“), mit ihrer Arbeit.

Die paarweise gestarteten Vela-Satelliten waren mit Detektoren ausgestattet, die den ersten Röntgen- und Gammastrahlenblitz von Atomexplosionen erfassen sollten. Manchmal lösten sie Ereignisse aus, bei denen es sich eindeutig nicht um Atomtests handelte, und Wissenschaftler sammelten und untersuchten diese Beobachtungen. Mit verbesserten Instrumenten auf den vier Satelliten Vela 5 und 6 konnte Ray Klebesadel am Los Alamos National Laboratory in New Mexico zusammen mit seinen Kollegen Ian Strong und Roy Olsen die Richtung von 16 bestätigten Gammastrahlenereignissen gut genug bestimmen, um die Erde und die Erde auszuschließen Sonne als Quellen. Sie veröffentlichten ein Papier, in dem sie die Entdeckung ankündigten Das Astrophysikalische Journal am 1. Juni 1973.

Mithilfe eines Detektors an Bord des Satelliten IMP 6, der Sonneneruptionen untersuchen soll, bestätigten Tom Cline und Upendra Desai am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, schnell die Vela-Ergebnisse.

Durchbrüche: BATSE & BeppoSAX

Während Theoretiker 100 Modelle vorschlugen, um GRBs zu erklären, von denen die meisten Neutronensterne in unserer eigenen Galaxie betreffen, waren die Beobachtungsfortschritte trotz der wachsenden Zahl von Entdeckungen durch verschiedene Raumfahrzeuge langsam. Gammastrahlen können nicht wie sichtbares Licht oder Röntgenstrahlen fokussiert werden, was eine genaue Lokalisierung ziemlich schwierig macht. Ohne sie war es unmöglich, mit größeren Teleskopen im Weltraum oder auf der Erde nach GRB-Gegenstücken in anderen Wellenlängen zu suchen.

Im Jahr 1991 startete die NASA das Compton Gamma Ray Observatory, zu dem auch ein Instrument namens BATSE (Burst and Transient Science Experiment) gehörte, das der Erforschung von GRBs gewidmet war. BATSE wurde im Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, von einem Team, zu dem auch Meegan gehörte, entwickelt und war etwa zehnmal empfindlicher als frühere GRB-Detektoren. Während der neunjährigen Compton-Mission entdeckte BATSE 2.704 Ausbrüche, was den Astronomen eine umfangreiche Reihe von Beobachtungen lieferte, die mit demselben Instrument gemacht wurden.

Im ersten Jahr zeigten die BATSE-Daten, dass die Ausbrüche über den gesamten Himmel verteilt waren und nicht in einem Muster, das die Struktur unserer Milchstraßengalaxie widerspiegelte. „Dies deutete darauf hin, dass sie aus entfernten Galaxien stammten, und das bedeutete, dass sie energiereicher waren, als die meisten Wissenschaftler für möglich hielten“, sagte Meegan.

Etwa zur gleichen Zeit leitete Chryssa Kouveliotou, ein weiteres Mitglied des BATSE-Teams, einen Versuch, die Ausbrüche zu klassifizieren. Das Team stellte fest, dass sich die Dauer der Ausbrüche in zwei große Gruppen gruppierte – eine dauerte weniger als zwei Sekunden, die andere länger als zwei Sekunden – und dass kurze Ausbrüche energiereichere Gammastrahlen erzeugten als lange.

„Sowohl die zeitlichen als auch die spektralen Eigenschaften stimmten bei der Identifizierung zweier separater Gruppen von GRBs überein: kurze und lange“, sagte Kouveliotou, der jetzt die Abteilung für Physik an der George Washington University leitet. „Bald darauf brachten Theoretiker lange GRBs mit dem Kollaps massereicher Sterne und kurze mit der Verschmelzung binärer Neutronensterne in Verbindung.“

Der nächste Schritt zum Verständnis waren Wassereinzugsgebietsbeobachtungen des italienisch-niederländischen Satelliten BeppoSAX. Obwohl es nicht speziell als GRB-Mission konzipiert war, erwies sich der Instrumentenmix – darunter ein Gammastrahlenmonitor und zwei Weitfeld-Röntgenkameras – als Segen für das Feld.

Als im Sichtfeld einer der Röntgenkameras ein Ausbruch auftrat, konnte die Raumsonde ihn innerhalb weniger Stunden so gut lokalisieren, dass zusätzliche Instrumente zum Einsatz gebracht werden konnten. Immer wenn sich BeppoSAX der Position eines GRB zuwandte, entdeckten seine Instrumente eine schnell schwindende und bisher unbekannte Hochenergiequelle – die Röntgennachleuchttheoretiker hatten es vorhergesagt. Diese Positionen ermöglichten es großen bodengestützten Observatorien, lange Nachleuchten von GRBs im sichtbaren Licht und in Radiowellen zu entdecken, und ermöglichten auch die ersten Entfernungsmessungen, die bestätigten, dass es sich bei GRBs tatsächlich um weit entfernte Ereignisse handelte.

Bedürfnis nach Geschwindigkeit

Im Jahr 2000 startete die NASA HETE 2, einen kleinen Satelliten zur Erkennung und Lokalisierung von GRBs. Es war die erste Mission, bei der genaue Positionen an Bord berechnet und schnell – in wenigen Sekunden – an den Boden übermittelt wurden, sodass andere Observatorien frühe Nachleuchtphasen untersuchen konnten. Der am 29. März 2003 entdeckte Ausbruch wies ebenfalls definitive Supernova-Merkmale auf, was einen vermuteten Zusammenhang zwischen den beiden Phänomenen bestätigte.

Was BeppoSAX ein paar Stunden brauchte, schafft das 2004 gestartete Neil Gehrels Swift Observatory der NASA in etwa einer Minute. „Wir haben es aus einem bestimmten Grund Swift genannt“, sagte S. Bradley Cenko von Goddard, der derzeitige Hauptforscher der Mission. „Seine schnelle, automatisierte Reaktion ermöglichte es uns, Fackeln und andere Merkmale im Röntgennachleuchten zu erkennen, die zuvor nicht beobachtet wurden.“

Die Nachverfolgung der von diesen Missionen entdeckten GRBs bestätigte, dass lange Ausbrüche mit den Sternentstehungsregionen von Galaxien in Zusammenhang standen und oft von Supernovae begleitet wurden. Im Mai 2005 konnte Swift das erste Nachglühen eines kurzen GRB lokalisieren und zeigte, dass diese Explosionen in Regionen mit geringer Sternentstehung auftreten. Dies stärkte das Modell kurzer Ausbrüche als Verschmelzung von Neutronensternen, die sich über viele Millionen Jahre hinweg weit von ihrem Geburtsort entfernen können, bis sie zusammenstoßen.

Im Jahr 2008 schloss sich das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA Swift bei der Jagd auf GRBs an und hat bis heute etwa 3.500 beobachtet. Sein GBM (Gamma-ray Burst Monitor) und sein Large Area Telescope ermöglichen die Erkennung und Verfolgung von Ausbrüchen von Röntgenstrahlen bis hin zu Gammastrahlen mit der höchsten Energie, die im Weltraum nachgewiesen wurden – eine Energiespanne von 100 Millionen Mal. Dies hat die Entdeckung nachleuchtender Gammastrahlen mit der milliardenfachen Energie sichtbaren Lichts ermöglicht.

Die nächste Revolution

Im Jahr 2017 verbanden Fermi und der europäische Satellit INTEGRAL einen kurzen GRB mit einer Quelle von Gravitationswellen, Wellen in der Raumzeit, die entstehen, wenn sich umkreisende Neutronensterne spiralförmig nach innen drehen und verschmelzen. Dies war eine wichtige Premiere, die zwei verschiedene kosmische „Boten“ miteinander verband: Schwerkraft und Licht. Während Astronomen seither keinen weiteren „Schwerkraft- und Licht“-Ausbruch mehr gesehen haben, hoffen sie, dass bei aktuellen und zukünftigen Beobachtungsläufen von Gravitationswellen-Observatorien noch mehr auftauchen werden.

„Wir bauen neue Satelliten mit größerer Empfindlichkeit, um tiefer in dieses Phänomen einzutauchen, sodass die Zukunft der GRB-Wissenschaft vielversprechend ist“, sagte Dan Kocevski von Marshall, Mitglied des Fermi-GBM-Teams und Hauptforscher für StarBurst, einen kleinen Satelliten Entwickelt, um GRBs aus Neutronensternverschmelzungen zu untersuchen. Zu den weiteren Missionen gehören Glowbug, Teil eines Experimentpakets, das im März zur Internationalen Raumstation gestartet und von J. Eric Grove am US Naval Research Laboratory in Washington geleitet wurde; BurstCube, geleitet von Jeremy Perkins von Goddard, soll Anfang 2024 auf den Markt kommen; MoonBEAM, das zwischen Erde und Mond kreisen würde und von Chiumun Michelle Hui von Marshall geleitet wird; und LEAP zur Untersuchung von GRB-Jets der Raumstation unter der Leitung von Mark McConnell an der University of New Hampshire, Durham.

Und da sowohl Gravitations- als auch Gammastrahlenanlagen ihre Reichweite verbessern, wird ein neues Kapitel der GRB-Geschichte aufgeschlagen.

„Was unser Verständnis von GRBs völlig revolutionieren wird“, sagte Alessandra Corsi, außerordentliche Professorin an der Texas Tech University in Lubbock, „wird die Möglichkeit sein, sie bis zu der Zeit zurückzuverfolgen, als das Universum vor etwa 10 Milliarden Jahren am intensivsten Sterne bildete.“ Dieser Teil des Universums wird mit der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren untersucht – zehnmal empfindlicher als das, was wir derzeit haben – und mit zukünftigen Gammastrahlenmissionen, die die Kontinuität mit der fantastischen Wissenschaft gewährleisten können, die Swift und Fermi ermöglicht haben.“