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Gamma-Strahlungsausbrüche sind die stärksten Explosionen, die es seit dem Urknall im Universum gibt. Auch Stunden nach dem eigentlichen Ausbruch in der sogenannten Nachglühphase können sie Teilchen auf höchste Energien beschleunigen. Zu dieser Erkenntnis kam ein internationales Forschungskonsortium mit RUB-Beteiligung nach der Analyse von Beobachtungsdaten, die das Teleskop „Hess“ 2018 in Namibia aufgezeichnet hatte. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, darunter die Bochumer Forscher Prof. Dr. Reinhard Schlickeiser und Dr. Michael Zacharias, beschreiben die Ergebnisse in der internationalen Top-Zeitschrift „Nature“, online veröffentlicht am 20. November 2019.

Erstmals bei höchsten Energien beobachtet

Gamma-Strahlungsausbrüche schleudern Teilchen mit unterschiedlichsten Energien ins Universum, wobei auch Licht mit diesen Energien erzeugt wird, sodass sich Gamma-Strahlungsausbrüche im gesamten elektromagnetischen Frequenzband beobachten lassen. Das weltgrößte Teleskop Hess in Namibia ist auf besonders hochenergetische Strahlung jenseits von 100 Gigaelektronenvolt spezialisiert – zum Vergleich: Sichtbares Licht hat eine Energie von zwei Elektronenvolt. „Es war das erste Mal, dass ein Gamma-Strahlungsausbruch in diesem hohen Energieband beobachtet werden konnte“, sagt Michael Zacharias vom Lehrstuhl für Theoretische Physik IV. „Zugleich war es das einzige Energieband, in dem noch Daten von Gamma-Strahlungsausbrüchen fehlten.“

So detektiert Hess hochenergetische Strahlung

Die Detektion von Teilchen mit Energien jenseits der 100 Gigaelektronenvolt ist besonders aufwändig. Sie erfolgt indirekt über das sogenannte Cherenkov-Licht: Trifft hochenergetische Gamma-Strahlung auf Teilchen in der Erdatmosphäre, entstehen bei der Interaktion viele neue Teilchen, die sich in der Atmosphäre ausbreiten und dabei ein schwaches Licht aussenden. Große Teleskope wie Hess, kurz für High Energy Stereoscopic System, können dieses Licht wahrnehmen; aus seiner Intensität und Richtung können Forscherinnen und Forscher die Quelle der Gamma-Strahlung rekonstruieren.

Das Teleskop Hess in Namibia

© H.E.S.S./MPI Kernphysik/Christian Föhr

Zunächst war der Gamma-Strahlungsausbruch bei niedrigeren Energien von anderen Teleskopen beobachtet worden. Aufgrund der Himmelsposition konnte das Teleskop Hess erst zehn Stunden nach Beginn des Ausbruchs in die Beobachtungen einsteigen. Zu diesem Zeitpunkt hatte bereits die Nachglühphase begonnen. „Die eigentliche Explosion dauert nur wenige Sekunden“, erklärt Zacharias. „In der Nachglühphase wird die Strahlungsintensität in allen Energiebändern geringer, am schnellsten fallen die höchsten Energien ab. Daher war es durchaus überraschend, dass Hess den Ausbruch überhaupt noch detektieren konnte.“ So konnten die Forscherinnen und Forscher beweisen, dass Gamma-Strahlungsausbrüche Teilchen auch noch in der Nachglühphase auf höchste Energien beschleunigen können.

Auf der Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung

Gamma-Strahlungsausbrüche interessieren Astrophysiker besonders, weil sie die Quellen der kosmischen Strahlung sein könnten. Diese hochenergetische Strahlung prasselt tagtäglich auf die Erdatmosphäre ein; woher sie kommt, ist bislang aber nicht abschließend geklärt.

„Wir interessieren uns aber auch für diese Himmelsobjekte, weil sie schwere Elemente – also schwerer als Eisen – erzeugen, die sich nur bei besonders gewaltigen Explosionen bilden“, so Michael Zacharias. „Dass Gamma-Strahlungsausbrüche Teilchen auch Stunden nach der Explosion noch so stark beschleunigen können, wie Hess nun beobachtet hat, zeigt einen effektiven Mechanismus, um die schweren Elemente im Universum zu verteilen.“ Das könnte eine Erklärung dafür sein, wie diese Elemente vor Jahrmilliarden in die Gaswolke gerieten, aus der unser Sonnensystem entstanden ist.