Gamma Ray Bursts und kosmische Strahlung

Grazyna Fosar / Franz Bludorf

So etwa kann man sich das "Aussehen" eines Gamma Ray Burst vorstellen. Computer-Visualisierung der NASA.

Gibt es so etwas wie das „kosmische CERN“? Einen riesigen Teilchenbeschleuniger im Kosmos? Alles, was uns auf der Erde aus dem Kosmos erreicht, beweist, dass im Universum etwas vor sich gehen muss, was immense Energie erzeugen kann. Die Frage ist nur: Wo und wie? Es ist etwas da draußen.

Es gibt manche Informationsträger, die für uns besonders interessant sind innerhalb der kosmischen Strahlung, die die Erde erreicht. Hierzu gehören die gewaltigen Gamma Ray Bursts, ein besonders faszinierendes Phänomen, aber auch – ganz am anderen Ende der Größenskala – die Neutrinos, die kleinen subatomaren Satansbraten.

Kosmische Strahlung

Woher kommt zu uns die kosmische Strahlung? In jeder Minute schießen ca. 200 aus dem Kosmos stammende Teilchen durch unseren Kopf. Obwohl sie fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen, schenken wir ihnen normalerweise keine Aufmerksamkeit. Generell kann man sagen, sie kommen zu uns aus der Tiefe des Weltalls, und bis vor Kurzem war ihre Herkunft tatsächlich ein ungelöstes Rätsel. Dieses Rätsel verdanken wir dem Abenteurer, Physiker und Astronomen Victor F. Hess.

1912 arbeitete der damals noch junge Wissenschaftler beim Wiener Radiuminstitut. Um die radioaktive Strahlung in großer Höhe zu untersuchen, plante er mehrere Ballonfahrten. In Begleitung seiner Mitarbeiter flog er bei Tag und bei Nacht, einmal sogar während einer Sonnenfinsternis. Erstaunlicherweise entwickelte er dabei sogar eine Begeisterung für die Ballonfahrten, obwohl er immer sehr stark unter Höhenkrankheit litt. Das Wichtigste aber waren die Mess­ergebnisse, die auf solchen Fahrten gewonnen wurden. Auf diese Weise entdeckte er die kosmische Strahlung. 1936 erhielt er dafür den Nobelpreis.

Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonen und Alphateilchen (das sind die ionisierten Atomkerne des Heliums), es sind aber auch Atomkerne schwererer Elemente darunter. Diese Primärteilchen, wie man sie auch nennt, erreichen in der Regel nicht den Erdboden, sondern stoßen bereits in den oberen Schichten der Atmosphäre mit Luftmolekülen zusammen, wobei ganze Kaskaden von Bruchstücken entstehen, sogenannte Sekundärteilchen, die in tieferen Atmosphärenschichten nachgewiesen werden können. Aus ihrer Zusammensetzung und Einfallsrichtung kann man auf die auslösenden Primärteilchen zurückschließen.

Am Beispiel der vor über 1000 Jahren explodierten Supernova SN 1006 und ihrer seither beobachteten Nachwirkungen konnten die Wissenschaftler jetzt erstmals Einzelheiten über die Entstehung der kosmischen Strahlung rekonstruieren.
Bild oben links: Ein Stern stirbt und sendet dabei Strahlung in verschiedenen Frequenzbereichen aus: Radiowellen (rot), Röntgenstrahlung (blau) und sichtbares Licht (gelb).
Bild oben rechts: Das von der Supernova ausgestoßene Material gerät in Wechselwirkung mit Materie im interstellaren Raum. Aus den Vergrößerungen (Bilder unten) konnten die Wissenschaftler nachvollziehen, wie die extrem schnellen Protonen entstehen, die anschließend ihre Reise durch das Universum antreten.

Die kosmische Strahlung darf nicht verwechselt werden mit der bekannten „kosmischen Hintergrundstrahlung“. Dabei handelt es sich um eine schwache elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich, die isotrop (d. h. aus allen Richtungen des Weltalls gleich stark) zu uns kommt. Wissenschaftler interpretieren sie auch als Echo des (hypothetischen) Urknalls.

Die aus dem Universum einfallenden Primärteilchen der kosmischen (Teilchen-)Strahlung, um die es uns hier geht, sind unglaublich energiegeladen. Ihre Energien bewegen sich zwischen 1015 und 1020 GeV (Gigaelektronenvolt) und darüber hinaus, sind also hundert Millionen Mal höher als die von unseren Teilchenbeschleunigern erzielbare Energie. Das „kosmische CERN“ scheint also eine andere Generation zu sein.

Der magnetische Schutzschirm

Das Erdmagnetfeld (rechts, blau) schützt uns vor der Strahlung des Sonnenwindes, der seinerseits große Teile der kosmischen Strahlung von uns fernhält.

Obwohl die kosmische Strahlung zum größten Teil vom Erdmagnetfeld (Van-Allen-Gürtel) und vom Sonnenwind abgeschirmt wird, hat sie einen großen Einfluss auf uns. Am Protonensynchrotron (PS) beim Kernforschungszentrum CERN läuft z. B. derzeit das Projekt CLOUD. Man erforscht dort den Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Art und Weise, wie sich Wolken formen. Es ist momentan eine der wichtigsten Untersuchungen im Bereich der Klimaforschung.

Seit der Mensch Weltraumfahrt betreibt, kann man die kosmische Strahlung auch direkt beobachten, nicht nur über die von ihr in der Erdatmosphäre erzeugten sekundären Teilchenschauer. Hierzu installierte man Teilchendetektoren an Bord von Raumschiffen bzw. der im Orbit befindlichen Raumstation. Auch sehr hoch fliegende Stratosphärenballons sind für direkte Beobachtung der kosmischen Strahlung geeignet. Diese sind aber heute natürlich unbemannt.

Wozu aber brauchen wir die Erforschung der kosmischen Strahlung, auch wenn wir nicht den Enthusiasmus eines Victor Hess aufbringen können? Aus zweierlei Gründen.

Zum einen treffen kosmische Strahlung und ihre Nebenprodukte die Erde, so dass wir alle davon „betroffen“ sind. Speziell die Besatzungen hochfliegender Flugzeuge müssen sich dessen bewusst sein, dass sie einer erhöhten Strahlenbelastung ausgesetzt sind. Diese ist besonders stark, wenn auf der Flugroute der Pol überquert wird. Auf der Nordatlantikroute nach Amerika etwa ist die Strahlendosis fast drei Mal höher als z. B. bei einem Flug von Deutschland nach Südafrika. Dies hat damit zu tun, dass entlang des Äquators die Magnetfeldlinien fast parallel zur Erdoberfläche verlaufen, während sie an den Polen fast senkrecht in die Erde eintreten. Das Erdmagnetfeld schirmt also an den Polen nicht so gut ab.

Zum zweiten sind die Teilchen, aus denen die „cosmic rays“ zusammengesetzt sind, kosmische Globetrotter. Sie sind Botschafter aus den entferntesten Regionen des Universums und können uns über ihre Herkunft Erkenntnisse liefern. Die Untersuchung der kosmischen Strahlung ist deshalb besonders schwer, weil die Teilchen in sich als Information nicht nur ihre Herkunft tragen, sondern auch ihre Reise zu uns. Unzählige Male wurden sie durch die Magnetfelder von Sternen, Planeten oder Galaxien abgelenkt, so dass wir sie vielleicht aus einer ganz falschen Richtung beobachten. Am leichtesten ist es noch im Fall der Neutrinos. Da diese sehr klein und elektrisch neutral sind, wechselwirken sie mit anderer Materie und mit Kraftfeldern am wenigsten.

Allerdings kann man aus der Energie eines Teilchens der kosmischen Strahlung zumindest ein wenig auf seine Herkunft schließen. Diejenigen mit geringerer Energie stammen zumeist von der Sonne. Wenn die Energie nicht einige Millionen GeV übersteigt, so kommen sie zumindest aus unserer Galaxis, aus Bereichen, die höhere Energien freisetzen als unsere Sonne. Das können etwa Stoßfronten von Supernova-Explosionen sein oder auch sogenannte Galactic Interacting Binaries. Das sind Doppelsternsysteme, bei denen ein Partner zu einem schwarzen Loch mutierte und den anderen durch seine Gravitation langsam ausschlürft. Dadurch entstehen zwischen den beiden Sternen Bahnen von Materiestrahlen, sogenannte Jets, die geeignet sind, Elektronen und andere Partikel enorm zu beschleunigen.

Ganz selten jedoch – pro Quadratkilometer Atmosphäre etwa einmal im Jahr – trifft ein Teilchen ein, dessen Energie noch um einige Zehnerpotenzen höher ist, bis hin zu den höchsten bislang beobachteten Energien von rund zehn Milliarden GeV. Diese Teilchen können, so die allgemeine Auffassung der Wissenschaftler, nicht mehr aus unserer Galaxis stammen. Die Energie dieser Teilchen ist so hoch, dass sie durch die uns bekannten kosmischen Magnetfelder kaum noch abgelenkt werden können. Ihre Einfallsrichtung weist daher ziemlich genau auf ihre Herkunft hin, und sie erreichen die Erde aus so unterschiedlichen Richtungen, dass sie nicht galaktischen Ursprungs sein können. Außerdem kennen wir innerhalb unserer Galaxis auch keine Energiequellen, die geeignet wären, die Teilchen dermaßen zu beschleunigen.

Die Besatzung der Internationalen Raumstation ISS ist einer 200-300fach höheren Strahlung ausgesetzt als ein Mensch auf der Erdoberfläche. Das dauerhafte Bombardement mit Elementarteilchen aus dem Kosmos kann zu genetischen Schäden führen.

Gamma Ray Bursts – entdeckt aus der Angst

Was sind Gamma Ray Bursts? Wie entstehen sie, und was bedeuten sie für uns? Fangen wir zuerst mit dem Design an. Gamma Ray Bursts sind seit einigen Jahren in Mode. Warum eigentlich sollte man etwas mehr über sie wissen? Weil man versucht uns einzureden, sie würden uns helfen, unsere Traumata zu erkennen, und für einen „immensen Bewusstseinssprung“ sorgen. Die Verbindung zwischen etwas Kosmischem und unseren irdischen Problemen klingt spannend und verkauft sich immer gut. Insbesondere, wenn dieses „Kosmische“ ein gewaltiger Energieausbruch ist, der von einem ganz speziellen Ort kommen soll – dem Zentrum unserer Galaxis.

Nur leider ist das so nicht ganz korrekt.

Das Zentrum der Galaxis liegt - von der Erde aus gesehen, im Sternbild Schütze. Die Himmelskoordinaten sind: Rektaszension 17 h 45 m 40,04 s, Deklination −29° 00' 28,1". Wenn man sich die Gamma-Ray-Burst-Meldungen des SWIFT-Observatoriums ansieht (siehe Premium-InfoCenter auf unserer Website), dann erkennt man, dass die meisten Gamma Ray Bursts nicht aus dem Zentrum der Galaxis stammen.

Anfang 2013 überraschte die Wissenschaft die Weltpresse mit einer Meldung, deren Tragweite wohl nur wenigen bewusst wurde. Man hatte herausgefunden, dass die Erde etwa im Jahre 774 oder 775 von einem der stärksten Gamma Ray Bursts der Geschichte frontal getroffen wurde. Dendrochronologen hatten dies herausgefunden. Das sind Leute, die sich mit der Untersuchung von Baumringen beschäftigen und daraus unsere Vergangenheit rekonstruieren, und das in mancherlei Hinsicht. Für den genannten Zeitraum vor über 1200 Jahren entdeckten sie eine vollkommen anormale Erhöhung der Konzentration des radioaktiven Kohlen­stoffisotops C14. Als Ursache kommt tatsächlich nur ein Gamma Ray Burst in Frage, denn selbst die stärksten Sonneneruptionen sind nicht stark genug, um derartige Wirkungen hervorzubringen, und eine Supernova-Explosion im fraglichen Zeitraum hätte noch andere bis heute erkennbare Spuren hinterlassen müssen.

Seltsam ist nur, dass weltweit keine Chronik aus dem 8. Jahrhundert auch nur mit einem einzigen Wort erwähnt, dass in den genannten Jahren irgend etwas Außergewöhnliches passiert wäre. Kein Wunder, sagen die Wissenschaftler. Damals hatten die Menschen noch keine Satelliten oder Funkverbindungen, die der Gamma Ray Burst hätte stören können. Für ein Massensterben auf der Erde war er wohl nicht energiereich genug. Auf jeden Fall ist über einen Bewusstseinssprung der Menschheit im 8. Jahrhundert nichts bekannt.

Wie kommen pseudowissenschaftliche Autoren eigentlich dazu, derartige Zusammenhänge herzustellen? Meist ist es eine atemberaubende Argumentationskette: Eine Verstärkung der Sonnenaktivität führt – statistisch nachweisbar – zu erhöhtem Aufkommen an Selbstmorden, psychischen Erkrankungen und ähnlichen Einwirkungen auf das menschliche Bewusstsein. Gammastrahlen sind auch elektromagnetischer Natur – ergo müssen auch sie unser Bewusstsein beeinflussen. Mit dem gleichen Recht könnte man auch behaupten, dass Fernsehen klüger macht.

Übrigens – dass Gamma Ray Bursts generell aus dem Zentrum der Galaxis kommen, ist auch ein Märchen. Einige vielleicht schon, denn dort befindet sich ein schwarzes Loch, das möglicherweise als Ursache in Frage kommen könnte. Aber auf jeden Fall bei weitem nicht alle. Die NASA führt täglich Buch über beobachtete Gammastrahlenblitze, die Ergebnisse sind öffentlich und jedermann zugänglich: Gamma Ray Bursts kommen von überall her aus dem Weltraum.

Und nun kommen wir zur anfangs gestellten Frage: Was sind Gamma Ray Bursts? Wie entstehen sie, und was bedeuten sie für uns?

Im Gegensatz zur „kosmischen Strahlung“, die eigentlich ein Teilchenstrom ist, erreicht die Erde eine „richtige“ elektromagnetische Strahlung aus dem Weltall, die nicht weniger geheimnisvoll ist – die kosmische Gammastrahlung.

Unter Gammastrahlung versteht man die härteste bekannte Form radioaktiver Strahlung, oberhalb einer Energie von 200 keV. Das gilt aber nur für unsere irdische Gammastrahlung. Kosmische Gammastrahlung ist eine interessante Art von etwas Außerirdischem, was zu uns kommt. Nicht direkt als ein Alien, aber nicht weniger geheimnisvoll. Wie es sich für kosmische Impulse gehört, ist kosmische Gammastrahlung viel energiereicher als irdische – genau wie es auch bei den kosmischen Teilchenschauern der Fall war. Die kosmische Gammastrahlung fängt erst bei 300 keV an, und die stärksten bekannten Impulse liegen im Bereich von 1012 eV, also 1 TeV bzw. 1000 GeV. Im Gegensatz zu den Teilchen der kosmischen Strahlung werden Gammastrahlen nicht durch kosmische Magnetfelder abgelenkt, und das heißt, sie kommen relativ geradlinig aus dem All zu uns. Man kann also aus ihrer Richtung gut auf ihre Quelle schließen. Die „üblichen Verdächtigen“ sind in der Regel Pulsare, Quasare oder schwarze Löcher.

Allerdings kann man kosmische Gammastrahlung von der Erde aus nur schwer beobachten, da sie durch die Atmosphäre weitgehend abgeschirmt wird. Deshalb muss man Gammastrahlenteleskope entweder auf hohen Bergen errichten, wie etwa das La-Silla-Observatorium auf dem gleichnamigen Berg im Norden Chiles, oder man geht in den Weltraum. Inzwischen haben die raumfahrenden Staaten der Erde satellitengestützte Gammastrahlenteleskope im Weltall installiert, die von dort ihre Beobachtungsdaten zur Erde funken. Ein Beispiel ist das Compton Gamma Ray Observatory der NASA.

Manchmal jedoch können kosmische Gammastrahlen sogar das Militär in Alarmbereitschaft versetzen…

Am 2. Juli 1967 schlug der US-Spionagesatellit Vela Alarm, der eigentlich zum Aufspüren gegnerischer Atomwaffentests in der Atmosphäre in den Orbit geschossen worden war. Seltsamerweise ergaben sonstige geheimdienstliche Quellen keinerlei Hinweise, dass tatsächlich irgendein Land der Erde eine Nuklearexplosion gezündet hätte. Der Fall blieb zunächst mysteriös (man wusste nicht, auf wen man schießen sollte), und es dauerte sechs Jahre, bis es Wissenschaftlern des Los Alamos National Laboratory gelang, das Rätsel zu lösen. Der geheimnisvolle Strahlenblitz war aus dem Weltall gekommen.

An diesem Tag erfuhr die Menschheit erstmals über ein bis heute unerklärtes Phänomen – die kosmischen Gammastrahlenblitze oder – populärer – Gamma Ray Bursts (GRB) – entdeckt aus der Angst. Der Name klingt schon mal gut, doch was steckt dahinter?

Genau weiß das noch niemand, aber immerhin ist man schon rund 30 Jahre dabei, die Gamma Ray Bursts zu beobachten und zu studieren. Und das ist faszinierend genug. Gamma Ray Bursts sind so etwas wie die Leuchttürme des Universums. Es sind mit Abstand die hellsten Gamma- und Lichtquellen am Himmel. Ihre Leuchtkraft übersteigt die unserer Sonne um das 1016fache (das sind 10 Billiarden!).[1]

Es dauerte bis zum Jahre 1997, bis der italienisch-niederländische Satellit BeppoSAX erstmals das in der Theorie bereits vorhergesagte Nachglühen eines GRB registrierte, den sogenannten Afterglow. Heute weiß man: Diese optischen Afterglows eines Gamma Ray Bursts können für Minuten oder sogar Stunden andauern und um drei bis vier Größenordnungen leuchtkräftiger sein als die hellsten bekannten Ia-Supernovas im Strahlungsmaximum. Damit gibt es im Grunde keine bekannten Objekte im Universum, die energiereich genug wären, um derartige Strahlungsausbrüche verursachen zu können.

Man weiß nur, dass sie von sehr, sehr weit her kommen können. Gamma Ray Bursts können aus kosmologischen Entfernungen stammen, die einem Weltalter von weniger als einer Milliarde Jahre nach dem Urknall entsprechen. Wenn sie also so lange zu uns unterwegs waren, stammen sie von Orten weit außerhalb unserer Galaxis. Da sie auf ihrem Weg zu uns praktisch nicht beeinflusst werden, stellen sie – genau wie unsere kleinen Freunde, die Neutrinos – geradezu ideale Zeitkapseln dar.

Astrophysiker unterscheiden zwei Klassen von Gamma Ray Bursts, die mit kurzer Dauer (weniger als zwei Sekunden) und die länger andauernden. Die langzeitigen gehen auf den Gravitationskollaps massereicher Sterne in fernen Galaxien zurück, wobei vermutlich ein schwarzes Loch entsteht. Die kurzen können beim Verschmelzen zweier kollidierender Neutronensterne bzw. eines Neutronensterns mit einem schwarzen Loch entstehen.

Heutigen Theorien zufolge ist nicht das schwarze Loch selbst Erzeuger der Gamma Ray Bursts. Vielmehr kommt es im Moment der Entstehung eines schwarzen Lochs zu einem zeitweiligen Energieausfluss, dem sogenannten Jet. Dieser Jet ist extrem energiereich (relativistisch) und wird nach Ansicht der Wissenschaftler als Ursache für die Gamma Ray Bursts gesehen.

Das SWIFT-Observatorium der NASA

Es gibt zwei Arten, Gamma Ray Bursts zu beobachten. Die weltraumgestützten Gammastrahlenteleskope, etwa das SWIFT-Observatorium der NASA, dienen nur zur bloßen Registierung der Ausbrüche, deren Lokalisierung, Stärke und Dauer. SWIFT aktualisiert täglich den öffentlich zugänglichen Katalog der Gamma Ray Bursts.

Ergänzt wird diese Forschungsarbeit durch bodengestützte Detektoren, zu denen z. B. der GROND-Detektor des Max-Planck-Instituts in Garching gehört. Diese Geräte sind für die Nachbeobachtungen des Afterglows zuständig und können daher aussagekräftige Daten über die möglichen Ursachen der Gamma Ray Bursts liefern.

Insgesamt steht die wissenschaftliche Erforschung der Gamma Ray Bursts noch am Anfang, sowohl was die Ursachen als auch die möglichen Auswirkungen auf die Erde betrifft. Das bedeutet aber nicht, dass man sich an einer Diskussion über sie nicht beteiligen kann. Wichtig ist, dass man sachlich informiert ist und die Fakten kennt. Man muss dazu nicht unbedingt Bewusstseinssprünge machen.

Bei Astrophysikern gelten folgende Steigerungsregeln:

 

Spekulation – Spekulation2 – Kosmologie

 

 

Quellen:

Fosar/Bludorf: Der Denver-Plan. Peiting 2014.

Aartsen, M. G., R. Abbasi u. a.: Search for Galactic PeV Gamma Rays with the IceCube Neutrino Observatory. Phys. Rev. D87, 2013.

Abbasi, R. u. a.: An Absence of Neutrinos Associated with Cosmic Ray Acceleration in Gamma-Ray Bursts. Nature 484 (2012), pp. 351-354.

Abbasi, R. u. a.: Observation Of Anisotropy In The Galactic Cosmic Ray Arrival Directions At 400 TeV With IceCube. Astrophysical Journal 746, 2012.

Greiner, Jochen und Thomas Krühler, Sandra Savaglio, Sylvio Klose: Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum. Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft 2009.

Kosmische Strahlung und die energiereichsten Himmelskörper. Welt der Physik. Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. 27. 8. 2007.


[1]               Greiner, Jochen u.a.: Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum.