Schwarze Löcher treiben nicht immer Gammastrahlenausbrüche an, wie neue Forschungsergebnisse zeigen

Gammastrahlenausbrüche (GRBs) wurden von Satelliten entdeckt, die die Erde umkreisen, als leuchtende Blitze der energiereichsten Gammastrahlung, die Millisekunden bis Hunderte von Sekunden andauern. Diese katastrophalen Explosionen ereignen sich in fernen Galaxien, Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt.

Ein Untertyp von GRB, der als Kurzzeit-GRB bekannt ist, beginnt sein Leben, wenn zwei Neutronensterne kollidieren. Diese ultradichten Sterne haben die Masse unserer Sonne auf die Hälfte der Größe einer Stadt wie London komprimiert, und in den letzten Augenblicken ihres Lebens, kurz bevor sie einen GRB auslösen, erzeugen sie Wellen in der Raumzeit – Astronomen bekannt als Gravitationswellen.

Bisher waren sich Weltraumwissenschaftler weitgehend einig, dass der „Motor“, der solche energetischen und kurzlebigen Explosionen antreibt, immer aus einem neu entstandenen Schwarzen Loch kommen muss (einer Region der Raumzeit, in der die Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, dies kann Flucht davor). Neue Forschungsergebnisse eines internationalen Teams von Astrophysikern unter der Leitung von Dr. Nuria Jordana-Mitjans von der University of Bath stellen diese wissenschaftliche Orthodoxie jedoch in Frage.

Den Ergebnissen der Studie zufolge werden einige kurzzeitige GRBs durch die Geburt eines supramassereichen Sterns (auch als Neutronensternüberrest bekannt) ausgelöst, nicht durch ein Schwarzes Loch. Das Papier ist erhältlich in Das Astrophysikalische Journal.

Dr. Jordana-Mitjans sagte: „Solche Ergebnisse sind wichtig, da sie bestätigen, dass neugeborene Neutronensterne einige Kurzzeit-GRBs und die hellen Emissionen über das elektromagnetische Spektrum, die sie begleiten, mit Energie versorgen können. Diese Entdeckung könnte eine neue Möglichkeit der Lokalisierung bieten Neutronensternverschmelzungen und damit Gravitationswellensender, wenn wir den Himmel nach Signalen absuchen.“

Konkurrierende Theorien

Über Kurzzeit-GRBs ist viel bekannt. Sie beginnen zu leben, wenn zwei Neutronensterne, die sich immer näher gewunden und ständig beschleunigt haben, schließlich zusammenstoßen. Und von der Absturzstelle setzt eine ausgestoßene Explosion die Gammastrahlung frei, die einen GRB erzeugt, gefolgt von einem länger andauernden Nachglühen. Einen Tag später erzeugt das radioaktive Material, das während der Explosion in alle Richtungen ausgestoßen wurde, eine sogenannte Kilonova.

Doch was genau nach der Kollision zweier Neutronensterne übrig bleibt – das „Produkt“ des Absturzes – und damit die Energiequelle, die einem GRB seine außergewöhnliche Energie verleiht, ist seit langem umstritten. Dank der Ergebnisse der von Bath geleiteten Studie könnten Wissenschaftler nun näher an der Lösung dieser Debatte sein.

Weltraumwissenschaftler sind zwischen zwei Theorien gespalten. Die erste Theorie besagt, dass Neutronensterne kurzzeitig zu einem extrem massereichen Neutronenstern verschmelzen, nur um dann in Sekundenbruchteilen zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren. Die zweite argumentiert, dass die beiden Neutronensterne zu einem weniger schweren Neutronenstern mit einer höheren Lebenserwartung führen würden.

Die Frage, die Astrophysiker seit Jahrzehnten beschäftigt, lautet also: Werden GRBs mit kurzer Dauer von einem Schwarzen Loch oder von der Geburt eines langlebigen Neutronensterns angetrieben?

Bis heute haben die meisten Astrophysiker die Theorie des Schwarzen Lochs unterstützt und sind sich einig, dass es für die Erzeugung eines GRB notwendig ist, dass der massereiche Neutronenstern fast sofort kollabiert.

Elektromagnetische Signale

Astrophysiker erfahren etwas über Kollisionen von Neutronensternen, indem sie die elektromagnetischen Signale der resultierenden GRBs messen. Das Signal, das von einem Schwarzen Loch stammt, sollte sich von dem Signal unterscheiden, das von einem Neutronenstern-Überrest stammt.

Das für diese Studie untersuchte elektromagnetische Signal des GRB (mit dem Namen GRB 180618A) machte Dr. Jordana-Mitjans und ihren Mitarbeitern klar, dass ein Neutronensternüberrest und kein Schwarzes Loch diesen Ausbruch verursacht haben muss.

Dr. Jordana-Mitjans erläuterte: „Zum ersten Mal heben unsere Beobachtungen mehrere Signale von einem überlebenden Neutronenstern hervor, der mindestens einen Tag nach dem Tod der ursprünglichen Neutronenstern-Binärdatei lebte.“

Professor Carole Mundell, Co-Autorin der Studie und Professorin für extragalaktische Astronomie in Bath, wo sie den Hiroko-Sherwin-Lehrstuhl für extragalaktische Astronomie innehat, sagte: „Wir waren begeistert, das sehr frühe optische Licht dieses kurzen Gammastrahlenausbruchs einzufangen – etwas das ist immer noch weitgehend unmöglich ohne die Verwendung eines Roboterteleskops. Aber als wir unsere exquisiten Daten analysierten, stellten wir überrascht fest, dass wir es nicht mit dem Standardmodell der schnell kollabierenden Schwarzen Löcher von GRBs erklären konnten.

„Unsere Entdeckung eröffnet neue Hoffnung für kommende Himmelsdurchmusterungen mit Teleskopen wie dem Rubin Observatory LSST, mit denen wir möglicherweise Signale von Hunderttausenden solcher langlebiger Neutronensterne finden, bevor sie zu Schwarzen Löchern kollabieren.“

Verschwindendes Nachleuchten

Was die Forscher zunächst verwirrte, war, dass das optische Licht des Nachglühens, das auf GRB 180618A folgte, nach nur 35 Minuten verschwand. Weitere Analysen zeigten, dass sich das Material, das für eine so kurze Emission verantwortlich war, aufgrund einer Quelle kontinuierlicher Energie, die es von hinten drückte, nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnte.

Noch überraschender war, dass diese Emission den Abdruck eines neugeborenen, sich schnell drehenden und stark magnetisierten Neutronensterns hatte, der als Millisekunden-Magnetar bezeichnet wird. Das Team stellte fest, dass der Magnetar nach GRB 180618A das übrig gebliebene Material des Absturzes wieder aufheizte, als er langsamer wurde.

In GRB 180618A war die magnetarbetriebene optische Emission tausendmal heller als von einer klassischen Kilonova erwartet.