Das Licht war der stärkste Strahlungsblitz seit dem Urknall”, verkündete Anfang Mai der Astronom George Djorgovski vom California Institute of Technology in Pasadena den überraschten Journalisten auf einer NASA-Pressekonferenz. Es war der Gammastrahlen-Satellit BeppoSax, der das Aufleuchten entdeckt und dabei gleich noch eine Sensation mitgeliefert hatte: Das Licht stammte vom Rande der Welt – aus einer zwölf Milliarden Lichtjahre entfernten, jungen Galaxie. Wieder einmal war eines dieser rätselhaften Leuchtfeuer erschienen, die die Astronomen seit langem narren. Sie blitzen nur einmal auf und dann aber weit heller als jede Supernova. “Nach allem, was wir über diese Erscheinungen wissen, können es auch klingonische Raumschiffe sein.” So vorsichtig äußerte sich Prof. Shrinivas Kulkarni, ein Kollege von Djorgovski am Institut in Pasadena, noch vor knapp zwei Jahren zu dem Phänomen der Gammastrahlungsblitze (englisch: Gamma Ray Bursts), an dem die Astronomen seit drei Jahrzehnten herumrätseln. Seit Februar 1997 tappen die Astronomen nicht mehr völlig im dunkeln, sondern sind auf einer heißen Spur.
Entdeckt wurden die Gammablitze Ende der sechziger Jahre. Damals überwachte ein dichtes Netz amerikanischer Satelliten die Einhaltung des Atomtestverbots. Die Satelliten waren dazu mit Detektoren für die charakteristische Strahlung von Kernwaffenzündungen ausgerüstet: für Gammastrahlung. Diese harte Strahlung im elektromagnetischen Spektrum ist bis zu einer Milliarde mal energiereicher als sichtbares Licht. Sie wird immer dann frei, wenn Atomkerne selbst miteinander reagieren, nicht nur ihre Elektronenhüllen. Auf der Erde geschieht dies beim radioaktiven Zerfall – und wenn eine Atombombe gezündet wird. Die Physiker des amerikanischen Militärs wurden bald fündig. Doch mit den Signalen, die weder von der Erde noch von Atombomben kamen, konnten sie wenig anfangen. Hätten sie nur ihre zivilen Kollegen in der Astronomie gefragt! Aber die erfuhren von dieser Entdeckung erst 1973, als die Geheimhaltung gelockert wurde.
Lange wurden nur wenige solcher blitzartigen Ausbrüche entdeckt, und worum es sich bei ihnen handelt, war zunächst reine Spekulation. Das änderte sich am 5. April 1991 mit dem Start des amerikanischen Compton-Observatoriums. Dieser 17 Tonnen wiegende Satellit – die bisher schwerste wissenschaftliche Nutzlast, die mit einem Space-Shuttle in den Orbit gebracht wurde – beherbergt vier Hauptinstrumente, um Gammastrahlungsausbrüche aufzuspüren. Zwei davon wurden mit entscheidender deutscher Beteiligung entwickelt.
Von nun an waren die Blitze keine seltenen Ereignisse mehr: Die Astronomen beobachteten bis zu drei von ihnen täglich. Die neuen Daten enthüllten zwei Eigenarten dieser Erscheinungen, die allerdings das Rätsel nicht leichter machten: Die Blitze sind regellos über den Himmel verteilt – es gibt keine Richtung, aus der mehr oder weniger von ihnen kommen. Das heißt, die Quellen sind nicht an unsere Galaxis gebunden, denn dann müßten die Blitze bevorzugt aus dem Band der Milchstraße kommen. Bei etwa gleichmäßiger Verteilung bis in die Tiefen des Kosmos dagegen müßten sehr viele schwache Blitze zu sehen sein. Doch ihre Anzahl ist viel kleiner als Modelle erwarten lassen würden. Die helleren Strahlungsblitze sind über alle Richtungen so verstreut, wie es einer gleichmäßigen Verteilung im Raum entspricht. Bei einer gewissen Helligkeit jedoch bricht die Verteilung plötzlich ab. Es kommen kaum mehr neue schwache, und damit noch weiter entfernte Quellen hinzu: Hier ist das Ende der Quellen-Wolke, die uns im All umgibt. Jenseits davon gibt es keine Quellen mehr. Das ist die Basis für eine kühne Vermutung die Astronomen: Die Wolke ist genauso groß wie das ganze Universum. Die Helligkeitskurve der Blitze bricht deshalb an einer bestimmten Stelle ab, weil das Universum dort zu Ende ist. Die Gammablitze kommen also aus riesigen Entfernungen, sie sind wirklich Feuer am Rande des Universums.
Auf diesem Stand war die Forschung bald nach dem Start des Satelliten angelangt – und blieb dort jahrelang stehen. Astronomen auf der ganzen Welt suchten fieberhaft nach einer weiterführenden Spur, zum Beispiel einem Nachleuchten der Ausbrüche im sichtbaren Licht. Gammadetektoren sehen den Himmel nur sehr unscharf: Ihr “Sehstrahl” ist am Himmel über eine so breite Fläche verschmiert, daß ein optisches Teleskop an dieser Stelle Tausende von astronomischen Objekten ausmachen kann. Jedes von ihnen könnte der Ursprung des Gammablitzes sein. Würde man also optisch ein Nachleuchten entdecken, ließe sich die Position der Gammaquelle viel genauer bestimmen. Der entscheidende Durchbruch kam mit dem italienisch-holländischen Satelliten Beppo-Sax. Die im Herbst 1996 gestartete Sonde hat neben einem Detektor für Gammastrahlung auch ein Röntgenteleskop an Bord. Röntgenteleskope sehen wesentlich schärfer als Gammadetektoren. Kurz nachdem der Satellit einen Ausbruch entdeckt hat, kann das Bordteleskop auf dessen Position ausgerichtet werden. Das geht wesentlich schneller, als wenn ein fremder Röntgensatellit, der irgendwo weit entfernt herumfliegt, in diese Beobachtung mit eingebunden wird – das kann Wochen dauern. Am 28. Februar 1997, exakt um 2 Uhr 58, war es soweit: Beppo-Sax entdeckte einen Gammablitz, der 80 Sekunden leuchtete. Wenige Stunden später war das Röntgenteleskop des Satelliten auf die Position ausgerichtet und fand eine rasch schwächer werdende Röntgenquelle. Nun konnte auch eine Gruppe um den holländischen Astronomen Jan von Paradijs ein optisches Bild mit dem William-Herschel-Teleskop auf La Palma aufnehmen: Bei der Röntgenquelle fand sich ein optisches Objekt, das am 8. März mit dem gleichen Teleskop bereits nicht mehr sichtbar war. Zum erstenmal war es gelungen, eine Gammaquelle auf frischer Tat zu ertappen.
Am 8. Mai schlug Beppo-Sax wieder Alarm. Diesmal waren die Astronomen George Djorgovski und Mark Metzger in Kalifornien am schnellsten: Knapp sechs Stunden nach dem Ausbruch nahm Prof. Djorgovski mit dem 5-Meter-Spiegel am Mt. Palomar die Stelle des Ausbruchs ins Visier, entdeckte den Täter jedoch erst in der darauffolgenden Nacht. Am 11. Mai erreichte das Objekt, das er seit dem Ausbruch verfolgt hatte, sein Maximum – es war über hundertmal so hell wie unmittelbar nach dem Gammaausbruch. Zwei Tage später war es bereits wieder auf die halbe Helligkeit zurückgefallen. Während des Helligkeitsmaximums gelang es Prof. Metzger am 10-Meter-Keck-Teleskop auf Hawaii, ein optisches Spektrum dieses sich schnell verändernden Objekts aufzunehmen. Die Analyse des Spektrums mit den deutlich sichtbaren dunklen Absorptionslinien machte die Sensation perfekt: Die Quelle war mindestens 16 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt – also weiter weg als nach dem herrschenden Astro-Weltbild der Radius des Universums. Zumindest war damit die Vermutung der Astronomen bestätigt: Die Gammablitze sind Lichter vom Rand der Welt. Die gewaltige Entfernung hat eine unmittelbare Bedeutung für den Energiebedarf der Quellen: Die Lichtblitze müssen eine Milliarde Milliarde mal heller sein als unsere Sonne. Welche gewaltigen Prozesse sind hier am Werk, um solche Energien in derartig kurzer Zeit freizusetzen? Für Dr. Hans-Thomas Janka, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, sind zur Zeit zwei Modelle für die Energiequellen am plausibelsten: die Verschmelzung von zwei Neutronensternen unter ihrer eigenen Anziehungskraft, das Aufsaugen eines Neutronensterns durch ein Schwarzes Loch.
In beiden Fällen wird ein beträchtlicher Teil der in Form von Gravitation gespeicherten Energie frei. Janka und seine Kollegen haben detaillierte Computermodelle für beide Prozesse entwikkelt – mit verblüffenden Ergebnissen: Ein Neutronenstern – der kompakteste und scheinbar stabilste aller Sterne – wird in die Länge gestreckt, wenn er zu nahe an ein Schwarzes Loch gerät. Schließlich bildet er sogar einen Ring um das Schwarze Loch. Auch zwei Neutronensterne, die sich gegenseitig umkreisen, können unter ihrer eigenen Schwerkraft ähnlich verformt werden. Diese letzten Phasen der Verschmelzung dauern nur wenige Sekunden. Dabei laufen auch Kernprozesse ab, bei denen riesige Mengen von Neutrinos und Antineutrinos freiwerden. Wenn diese sich zu nahe kommen, zerstrahlen sie zu Photonen, die mit spontan gebildeten Elektron-Positron-Paaren einen dichten, explodierenden Feuerball bilden. Doch die Photonen können nicht ohne weiteres aus der dichten Elektronen-Positronen-Suppe entweichen. Sollte sich in dem Feuerball zusätzlich zu viel “normale Materie” befinden – also nicht nur Elementarteilchen, sondern auch Gas und Staub -, so wird die ganze Energie für die Beschleunigung dieses Materials aufgezehrt, das bei der Explosion nach außen katapultiert wird. In diesem Fall entsteht keine Gammastrahlung. Falls der Anteil der normalen Materie jedoch klein genug ist, wird sie im Feuerball mitgeschleppt und bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Sobald sie auf ein Hindernis trifft, zum Beispiel eine Gaswolke in der Nähe, wird Gammastrahlung frei – ein Gamma Ray Burst ist entstanden. Eine andere, umstrittene Theorie macht eine neue Klasse von Sternexplosionen, sogenannte Hypernovae, für die Ausbrüche verantwortlich. Da es zwei Hauptgruppen von Ausbrüchen gibt – eine mit etwa einer zehntel Sekunde und eine andere mit einigen hundert Sekunden Dauer – ist Platz für mehr als eine Erklärung. Möglicherweise sind die Sternexplosionen für die längeren Ausbrüche verantwortlich und die Verschmelzungsprozesse für die kurzen.
Die Theoretiker sind gierig auf neue Beobachtungen, um ihre Modelle zu testen. Sie möchten nicht nur den Ausbruch selbst, sondern vor allem das Nachglühen sehen, das möglicherweise von dem Feuerball stammt – und das Gegenstück, das Objekt vor der Explosion. Etwas Wichtiges haben Prof. Kulkarni und seine Kollegen vor etwa einem Jahr entdeckt: zwar nur einen kleinen verwaschenen Punkt, der seine Helligkeit nicht verändert, doch dieser Punkt ist möglicherweise die Galaxie, in der ein Ausbruch stattgefunden hat. Auch wenn er nur mit den größten Teleskopen der Welt sichtbar ist, ist er vielleicht einer der wichtigen Mosaiksteine zur Lösung des Geheimnisses um die Gamma Ray Bursts. Mark Metzger erklärt, warum es die Astronomen mit einer exakten Beschreibung so schwer haben: “Die Modelle beinhalten einen Anfangszustand, der optisch dicht ist: Die Photonen sind in der Elektronen-Positronen-Suppe gefangen, wir sehen nichts – und das Ende ist jeweils nur noch Feuerball und Nachglühen. Dazwischen kann man sich jede Art von Mechanismus ausdenken, um den Ausbruch zu erklären.” Maarten Schmidt, der Entdecker der Quasar-Rotverschiebung, beklagt die verwirrende Vielfalt der Gammablitze: Manche zeigen ein weiches und manche ein markantes Spektrum, einige leben nur einen Augenblick, andere bis zu einer Stunde, und auch die Lichtkurven unterscheiden sich stark. Manche lassen sich überhaupt nicht einordnen: “Der Ausbruch vom März 1979 zum Beispiel kann einem Alpträume bereiten. Für eine Weile sieht er wie ein ,Wiederholungstäter` aus, der mehr als einmal blitzt, und kurz darauf wieder wie eine klassische Gammaquelle. Was zum Teufel geht da eigentlich vor?” Die Antwort können nur Beobachtungen geben, ist Metzger überzeugt: “Irgendwann wird das ein gut studiertes Phänomen sein – ähnlich wie bei den Supernovae, bei denen wir zunächst auch keine Ahnung hatten, welche Prozesse dahinterstecken könnten. Dann wurden sie genauer studiert, und heute glauben wir, daß wir die Vorgänge in Supernovae und ihre Rolle für die Entstehung der schweren Elemente bis ins Detail verstehen. Wir hoffen, daß es bei den Gamma Ray Bursts auch so kommt.”
Infos im Internet
Mehr über Gamma Ray Bursts: www.sciam.com/0797issue/0797fishman.html
Über das Compton-Gamma-Observatorium: cossc.gsfc.nasa.gov/
Rudolf Danner
