Rätsel um Dunkle Bursts gelöst

Gammastrahlenausbrüche (engl. gamma-ray bursts, GRBs) bezeichnet ein plötzliches, extrem hochenergetisches, elektromagnetisches Leuchten. Sie passieren ohne Vorwarnung und können überall am Himmel auftreten. Astronomen entdecken davon mittlerweile unzählige und wissen nach einigem Rätseln seit den 1990er Jahren, dass GRBs verschmelzenden Doppelsterne oder Sternexplosionen sind, bei denen stellare Schwarze Löcher entstehen. Es gibt zwei Typen dieser Ausbrüche, die sich lediglich durch ihre Dauer unterscheiden: Kurzzeitige sind kürzer als zwei Sekunden und langzeitige entsprechend länger bis zu 1000 Sekunden. Erklärt wird dies mit verschiedenen Entstehungsprozessen, denn bei kurzzeitigen verschmelzen sich umkreisende, kompakte Sterne (z.B. Neutronenstern mit Neutronenstern oder Neutronenstern mit Schwarzem Loch) miteinander. Bei den langzeitigen Bursts kollabiert ein einzelner, massereicher Stern. Wer mehr über GRBs im Allgemeinen erfahren möchte, sei an eine Zusammenfassung aus meinem Weblexikon verwiesen.
 
Nachglühen mal sichtbar, mal verschwunden
Nach dem prompten Leuchten im hochenergetischen Gammastrahlenbereich (noch energiereicher als Röntgenstrahlung) ist bei den meisten Ausbrüchen ein Nachleuchten bei größeren Wellenlängen, also geringeren Strahlungsenergien beobachtbar. Es ist sogar noch Tagen und Wochen nach dem eigentlichen Gamma-Burst zu messen.
Dieses Nachleuchten ist astronomisch ganz wichtig, weil es zur Bestimmung der kosmologischen Rotverschiebung und damit der Entfernung der Bursts dient. GRBs aufgrund ihrer extrem Leuchtkraft gehören zu den am weitesten, entfernten Himmelsobjekten überhaupt.
 
Rätselhafte Dunkle Bursts
Bei den langzeitigen GRBs hatten die Astronomen im Prinzip immer ein Nachleuchten im Röntgenbereich festgestellt, aber nur bei etwa 40-60% von ihnen gab es auch ein optisches/infrarotes Nachleuchten. Alle, bei denen dieses optische Nachleuchten fehlt, werden von den Fachleuten „Dunkle Bursts“ (engl. dark gamma-ray bursts) genannt. Die Ursache für dieses Phänomen war bislang nicht geklärt.
 
Durchbruch mit dem GROND-Instrument
Gamma-Astronomen um Jochen Greiner (MPE) haben nun dieses Rätsel gelöst. Dazu verwendeten sie das GROND-Instrument, das am 2,2-Meter-Teleskop der MPG und der ESO im chilenischen La Silla stationiert ist. Greiner ist Entwickler und Chef des GROND-Projekts, das speziell für das Nachleuchten der GRBs, wie es im Optischen und Nahinfraroten auftritt, entwickelt wurde. In Greiners Team ist auch der junge Astronom Thomas Krühler, der für seine Promotion auf dem Gebiet der GRBs mit dem Universe PhD Award 2009 vom Exzellenzcluster Universe ausgezeichnet wurde – auch er trug maßgeblich zu dieser aktuellen Entdeckung bei.  
 
Erklärung der Dunklen Bursts
Sie haben nun einige GRBs analysiert und fanden für die dunklen Bursts folgende Erklärung: Zum einen gibt auf der Sichtlinie zum Ausbruch Unmengen an kosmischem Staub. Dieses extrem kalte Material, das teilweise aus recht komplexen Molekülen bestehen kann, "verschluckt" sehr effizient den optischen Teil der Strahlung – ein Effekt, den die Astronomen Extinktion nennen. Zum anderen ist ein Teil der Bursts extrem weit von der Erde entfernt. Die Distanzen sind so hoch (Rotverschiebungswerte ab z = 5), dass sich der Effekt der kosmologischen Rotverschiebung extrem bemerkbar macht. Das bedeutet, dass die Strahlung einerseits noch weiter zum roten Ende des Spektrums verschoben wird, d.h. weg vom roten/infraroten in den Radiobereich und andererseits wird die Intensität der Strahlung durch die Rotverschiebung ebenfalls stark reduziert. Insgesamt kommt durch diese beiden Effekte – Abschwächung durch Staub sowie Rotverschiebung – wenig optische und infrarote Strahlung beim irdischen Beobachter an. Der Burst erscheint dunkel, obwohl er es an sich vor Ort gar nicht wahr.

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Andreas Müller

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Die Astronomie ist faszinierend und schön – und wichtig. Diese interdisziplinäre Naturwissenschaft finde ich so spannend, dass ich sie zu meinem Beruf gemacht habe. Ich bin promovierter Astrophysiker und befasse mich in meiner Forschungsarbeit vor allem mit Schwarzen Löchern und Allgemeiner Relativitätstheorie. Aktuell bin ich der Scientific Manager im Exzellenzcluster Universe der Technischen Universität München. In dieser Tätigkeit im Forschungsmanagement koordiniere ich die interdisziplinäre, physikalische Forschung in einem Institut mit dem Ziel, Ursprung und Entwicklung des Universums als Ganzes zu verstehen. Besonders wichtig war mir schon immer eine Vermittlung der astronomischen Erkenntnisse an eine breite Öffentlichkeit. Es macht einfach Spaß, die Faszination am Sternenhimmel und an den vielen erstaunlichen Dinge, die da oben geschehen, zu teilen. Daher schreibe ich Artikel (print, online) und Bücher, halte öffentliche Vorträge, besuche Schulen und veranstalte Lehrerfortbildungen zur Astronomie, Kosmologie und Relativitätstheorie. Ich schätze es sehr, in meinem Blog "Einsteins Kosmos" in den KosmoLogs auf aktuelle Ereignisse reagieren oder auch einfach meine Meinung abgeben zu können. Andreas Müller

12 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. GRB’s vermessen den Raum

    Gamma Ray Bursts sind sicher interessant wegen ihres Strahlungsspektrums in dem extrem hochenergetische Photonen neben weniger energiereichen Photonen vorkommen. Zusammen mit der grossen Distanz solcher Bursts kann man damit gewisse Quantengravitationstheorien testen, welche eine variable, strahlungsenergieabhängige Lichtgeschwindigkeit annehmen und die davon ausgehen, dass hochenergetische Photonen langsamer sind. Bei Distanzen von Milliarden von Lichtjahren sollten gemäss diesen Theorien die hochenergetischen Photonen später ankommen als die niederenergetischen. Doch solch einen Laufzeitunterschied konnte man beim bisher stärksten Gammastrahlungsausbruch, bei dem ein Photon mit der Energie von 31GeV gemessen wurde, nicht feststellen (siehe http://arstechnica.com/…et-a-gamma-ray-burst.ars ) Allerdings genügt die Beobachtung eines einzelnen hochenergetischen Photons wohl noch nicht.

    Interessant scheint mir auch die im verlinkten Weblexikon vermerkte potentielle Auslöschung allen Lebens durch eine GRB-Gammadusche. Allerdings würde eine solche Gammadusche nur die Hälfte des Planeten sterilisieren, diejenige Hälfte, die dem GRB-Ereignis gerade zugewandt ist, denn die Hälfte der Erdoberfläche befindet sich ja im durch die Erdmasse gebildeten Strahlungsschatten. Oder täusche ich mich da?

  2. @M. Holzherr

    Lieber Herr Holzherr

    Vielen Dank für Ihren Kommentar.

    Der Test von Quantengravitationstheorien mittels GRB afterglows ist in der Tat eine lang erwartete Sache gewesen. Diese Untersuchung mit den Daten des FERMI-Satelliten wurde in nature veröffentlicht und ist ernüchternd für die Quantengravitationsleute, weil keine variable Lichtgeschwindigkeit für verschiedene Spektralbereiche festgestellt werden konnte – allerdings gibt es noch Schlupflöcher für die Theorien, und wir sollten derartige Tests weiterhin verfolgen.

    Zu Ihrer Frage: Es ist korrekt, dass ein naher GRB nur die in den betreffenden Sekunden zugewandte Seite der Erde treffen würde. Gammastrahlung kann bei ausreichender Intensität und längerer Exposition dann Strahlungsschäden bei den Lebewesen bewirken, die sich nicht in Sicherheit bringen konnten. Auf der entsprechend abgewandten Seite würde es keine Schädigungen geben. In der Tat ist das ein Katrastrophenszenario, dass global extreme soziologische und politische Konsequenzen hätte. In der Science Fiction wurde das noch nicht weiter gesponnen.
    Etwas beruhigen könnte uns, dass es außer vielleicht den Superstern eta Carinae wenig nahe und gefährliche GRB-Kandidaten gibt.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  3. Lieber Herr Müller,

    Warum sagt „Nature“ jetzt eigentlich
    ein Laufzeitunterschied könnte es gar nicht geben?

    Da gab es doch RB 080916C (16,5 Sekunden) und Markarian 501 (4 Minuten)?

    Hat sich das etwa geändert?

  4. Dunke Bursts

    Ist es nicht so, lieber Herr Müller, dass es gemäß der Relativitätstheorie gar keine variable Lichtgeschwindigkeit auf Grundlage verschiedener Spektralbereich geben kann, sondern für eine Variabilität doch ausschließlich die Schwerkraft von Körpern verantwortlich ist? Ich lasse mich allerdings gerne eines Besseren belehren, da ich mich mit dem Thema noch nicht näher befasst habe.

  5. @Hannes

    Lieber Hannes

    Interessanter Hinweis. Wissen Sie mehr zu den beiden Quellen, z.B. wiss. Veröffentlichungen?

    Meines Wissens wurde vor etwa zwei Jahren anhand eines GRB afterglows untersucht mit Fermi nichts gefunden, was auf Quantengravitation hinweist. Derzeit läuft natürlich die Diskussion über solche Messungen und deren Interpretation, aber es gibt seither keinen neuen Stand.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  6. @giessfoermchen

    Laut Relativitätstheorie sollte es keine variable Lichtgeschwindigkeit geben, richtig. Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ist ja eines der wesentlichen Postulate der Relativitätstheorie. Somit wäre die gemessene variable Lichtgeschwindigkeit gerade ein Hinweis auf „neue Physik“ jenseits der Relativitätstheorie.

    Eine gekrümmte Raumzeit verändert nicht die Geschwindigkeit von Licht, sondern dessen Frequenz bzw. Wellenlänge. Sie verändert auch das Zeitmaß (Zeitdilatation).
    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  7. Quellen

    Danke herr Müller,

    Zu den beiden Quellen:

    Markarian 501:

    Free: http://www.news.ucdavis.edu/…etail.lasso?id=8364

    Paid:
    http://www.sciencenews.org/…high-energy_universe

    GRB 080916C:
    Free:
    http://www.universetoday.com/…r-gamma-ray-blast/

    Source:
    http://www.eurekalert.org/…02/dnal-meg021809.php

    Die Ursache dieser Zeitverschiebung kann also nicht „Quantum Foam“ sein. GRB 090423 zeigt ja keine Zeitverschiebung und ist ebenso weit entfernt.

  8. @Hannes

    Lieber Hannes

    Vielen Dank für die Links, die die Situation ganz gut darstellen.

    Es gibt also eine Handvoll Burst-Kandidaten, bei denen solche Messungen der Ankunftszeiten bei verschiedenen Wellenlängen gemacht wurden. Das ist gut, reicht aber zurzeit noch nicht aus, um Quantengravitationstheorien zu untermauern bzw. auszuschließen.

    In einem Ihrer Links wurde gesagt, dass es auch andere Effekte geben könnte, die für die unterschiedlichen Ankunftszeiten der Strahlung verantwortlich sein könnten. Dazu gehört die Lichtlaufzeitveränderung infolge des Gravitationslinseneffekts, der sogar das Signal um Jahre verzögern kann.
    Solche Effekte und andere überlagerte Effekte müssen natürlich korrekt heraus gerechnet werden.

    Wir werden also auf weitere Beobachtungsdaten warten müssen, bei denen für gleich mehrere Objekte der gemeinsame Trend pro oder kontra Quantengravitation abzulesen ist. Die Fermi-Mission ist für eine solche Studie sehr gut geeignet.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  9. quantengravitation

    ist es nicht merkwürdig dass es in dichten medien eine wechselwirkung zwischen quanten
    und atomen gibt? warum reduziert sich die lichtgeschwindigkeit in glas? warum gibt es eine brechung von licht, ich würde dies eher als scharfe beugung an atomen bezeichnen, und bei schweren körpern, eine weiche beugung und nicht eine imaginäre krümmung des raumes. vielleicht ist beugung nichts anderes als eine gravitationswechselwirkung zwischen quanten
    und atomen, wobei ich mir nicht sicher bin ob die kleinsten atomaren teilchen, quanten sind.
    Die teilchenphysiker gehen bei der analyse von materie vor, wie jemand der den aufbau eines autos verstehen will,indem er es mit immer höherer geschwindigkeit frontal mit einem anderen auto kollidieren lässt, um dann über die analyse der immer kleiner werdenden trümmer auf die funktion und aufbau des autos zu schliessen.
    irgendwann sind die trümmer alle nahezu gleich klein, ähneln sich wie fraktale und alle wundern sich, warum sie immer weniger verstehen.
    diese herangehensweise halte ich nicht für zielführend, wir sollten das ganze betrachten um das kleinste und das grösste zu begreifen.
    und das ganze ist: E=MC2
    wir müssen einsteins geniale „Weltformel“
    nur neu betrachten.

  10. Zustimmung

    Hallo, glückwunsch zum interessanten Blog und den geistreichen Kommentaren. Du erklärst vieles sehr detailliert, aber für Laien trotzdem verständlich. Ich interessiere mich (seitdem ich Kinder habe) natürlich auch für die Zukunft und habe nachdem ich hier einiges gelesen habe, echt Angst. Ich hoffe, dass auch mal positive Prognosen erwähnt werden.

  11. Gamma Ray Bursts und Quantengravitation

    Viele Versuche der Quantisierung des Raumes nehmen an, diese finde im Bereich der Planck-Skala statt. Spielt die Quantengraviation bei einem Phänomen eine Rolle ist auch eine Verletzung der Lorentz-Invarianz zu erwarten und damit wäre eine frequenzabhängige Ausbreitungsart und Aubreitungsgeschwindigkeit vor allem hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung zu erwarten.

    Doch der Gamma-Ray Burst GRB 041219A (im Jahr 2004 beobachtet) zeigt nun aufgrund der fehlenden Dispersion und der Beobachtung der Polarisation der Strahlung, dass eine solche Quantisierung des Raumes – wenn schon – erst auf der Längenskala von 10^-48 m stattfinden kann, nicht auf der Länger der Planckskala (10^-35 m). Siehe dazu Constraints on Lorentz Invariance Violation using INTEGRAL/IBIS observations of
    GRB041219A
    sowie der darauf basiernde etwas leichter verdauliche Artikel Integral challenges physics beyond Einstein.

    Einstein (das heisst seine Allgemeine Graviationstheorie) scheint also wieder einmal gerettet und zwar bis in Dimensionen hinunter wo viellicht Einstein selbst Abweichungen von seiner Theorie erwartet hätte.

    Quantengravitationstheorien scheinen damit wieder in weite Ferne gerückt.

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