Bildnachweis: ESO
Gammastrahlen sind einige der größten Explosionen im Universum. Man kann in wenigen Sekunden mehr Energie erzeugen, als die Sonne in 10 Milliarden Jahren erzeugt. Es wird angenommen, dass sie verursacht werden, wenn ein supermassiver Stern zusammenbricht, der als Hypernova bezeichnet wird. Astronomen des European Southern Observatory verfolgten das Nachleuchten eines kürzlichen Ausbruchs mithilfe einer Technik namens Polarimetrie, mit der sie die Form der Explosion verfolgen können. Wenn es sich um eine kugelförmige Explosion handeln würde, hätte das Licht eine zufällige Polarität, aber sie stellten fest, dass Gas in Jets ausströmt, die sich mit der Zeit erweitern.
"Gammastrahlen-Bursts (GRBs)" gehören sicherlich zu den dramatischsten Ereignissen, die in der Astrophysik bekannt sind. Diese kurzen Blitze energetischer Gammastrahlen, die erstmals Ende der 1960er Jahre von Militärsatelliten entdeckt wurden, dauern weniger als eine Sekunde bis mehrere Minuten.
Es wurde festgestellt, dass GRBs in extrem großen („kosmologischen“) Entfernungen liegen. Die Energie, die während eines solchen Ereignisses in wenigen Sekunden freigesetzt wird, ist während ihrer gesamten Lebensdauer von mehr als 10.000 Millionen Jahren größer als die der Sonne. Die GRBs sind in der Tat die mächtigsten Ereignisse seit dem im Universum bekannten Urknall, vgl. ESO PR 08/99 und ESO PR 20/00.
In den letzten Jahren haben Indizien dafür zugenommen, dass GRBs den Zusammenbruch extrem massereicher Sterne, der sogenannten Hypernovae, signalisieren. Dies wurde schließlich vor einigen Monaten demonstriert, als Astronomen mit dem FORS-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO die Änderungen im Spektrum der Lichtquelle („das optische Nachleuchten“) des Gammastrahlen-Burst-GRB in beispiellosem Detail dokumentierten 030329 (vgl. ESO PR 16/03). Bei dieser Gelegenheit wurde ein schlüssiger und direkter Zusammenhang zwischen kosmologischen Gammastrahlenausbrüchen und Explosionen sehr massereicher Sterne hergestellt.
Gamma-Ray Burst GRB 030329 wurde am 29. März 2003 vom Raumschiff High Energy Transient Explorer der NASA entdeckt. Follow-up-Beobachtungen mit dem UVES-Spektrographen am 8,2-m-VLT-KUEYEN-Teleskop am Paranal-Observatorium (Chile) zeigten, dass der Ausbruch eine Rotverschiebung von 0,1685 aufwies [1]. Dies entspricht einer Entfernung von etwa 2.650 Millionen Lichtjahren, was GRB 030329 zum zweitnächsten GRB mit langer Dauer macht, der jemals entdeckt wurde. Die Nähe von GRB 030329 führte zu einer sehr hellen Nachleuchtemission, was die bislang umfangreichsten Nachbeobachtungen aller Nachleuchten ermöglichte.
Ein Team von Astronomen [2] unter der Leitung von Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (Deutschland) entschied sich, diese einmalige Gelegenheit zu nutzen, um die Polarisationseigenschaften des Nachglühens von GRB 030329 zu untersuchen, wie es sich nach dem Explosion.
Hypernovae, die Quelle von GRBs, sind in der Tat so weit entfernt, dass sie nur als ungelöste Lichtpunkte angesehen werden können. Um ihre räumliche Struktur zu untersuchen, müssen sich Astronomen daher auf einen Trick verlassen: die Polarimetrie (siehe ESO PR 23/03).
Die Polarimetrie funktioniert wie folgt: Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die in bestimmte Richtungen (Ebenen) schwingen. Reflexion oder Streuung von Licht begünstigt bestimmte Orientierungen der elektrischen und magnetischen Felder gegenüber anderen. Aus diesem Grund kann eine polarisierende Sonnenbrille das von einem Teich reflektierte Sonnenlicht herausfiltern.
Die Strahlung in einem Gammastrahlenstoß wird in einem geordneten Magnetfeld als sogenannte Synchrotronstrahlung erzeugt [3]. Wenn die Hypernova sphärisch symmetrisch ist, sind alle Orientierungen der elektromagnetischen Wellen gleich vorhanden und werden gemittelt, sodass keine Nettopolarisation auftritt. Wenn das Gas jedoch nicht symmetrisch, sondern in einen Strahl ausgestoßen wird, wird dem Licht eine leichte Nettopolarisation eingeprägt. Diese Nettopolarisation ändert sich mit der Zeit, da sich der Öffnungswinkel des Strahls mit der Zeit erweitert und wir einen anderen Anteil des Emissionskegels sehen.
Durch die Untersuchung der Polarisationseigenschaften des Nachglühens eines Gammastrahlenstoßes können somit Erkenntnisse über die zugrunde liegenden räumlichen Strukturen sowie die Stärke und Ausrichtung des Magnetfelds in dem Bereich gewonnen werden, in dem die Strahlung erzeugt wird. „Wenn wir dies über einen langen Zeitraum tun, während das Nachleuchten nachlässt und sich weiterentwickelt, erhalten wir ein einzigartiges Diagnosewerkzeug für Gammastrahlen-Burst-Studien“, sagt Jochen Greiner.
Obwohl frühere Einzelmessungen der Polarisation des optischen Nachglühens von GRB existieren, wurde noch nie eine detaillierte Studie über die zeitliche Entwicklung der Polarisation durchgeführt. Dies ist in der Tat eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, die nur mit einem extrem stabilen Instrument am größten Teleskop möglich ist… und einem ausreichend hellen optischen Nachleuchten.
Sobald GRB 030329 entdeckt wurde, wandte sich das Astronomenteam daher dem leistungsstarken Multi-Mode-FORS1-Instrument des VLT ANTU-Teleskops zu. Sie erhielten 31 polarimetrische Beobachtungen über einen Zeitraum von 38 Tagen, wodurch sie zum ersten Mal die Änderungen der Polarisation eines optischen Gammastrahlen-Burst-Nachglühens mit der Zeit messen konnten. Dieser einzigartige Satz von Beobachtungsdaten dokumentiert die physischen Änderungen im entfernten Objekt in unübertroffenen Details.
Ihre Daten zeigen das Vorhandensein einer Polarisation in Höhe von 0,3 bis 2,5% während des 38-tägigen Zeitraums mit einer signifikanten Variabilität in Stärke und Orientierung auf Zeitskalen bis zu Stunden. Dieses besondere Verhalten wurde von keiner der Haupttheorien vorhergesagt.
Leider verhindert die an sich nicht verstandene sehr komplexe Lichtkurve dieses GRB-Nachglühens eine einfache Anwendung bestehender Polarisationsmodelle. „Es stellt sich heraus, dass das Ableiten der Richtung des Strahls und der Magnetfeldstruktur nicht so einfach ist, wie wir ursprünglich dachten“, bemerkt Olaf Reimer, ein weiteres Mitglied des Teams. "Aber die schnellen Änderungen der Polarisationseigenschaften, selbst während glatter Phasen der Nachleuchtlichtkurve, stellen eine Herausforderung für die Nachleuchtheorie dar."
"Möglicherweise", fügt Jochen Greiner hinzu, "zeigt der insgesamt niedrige Polarisationsgrad, dass sich die Stärke des Magnetfelds in paralleler und senkrechter Richtung nicht um mehr als 10% unterscheidet, was auf ein Feld hindeutet, das stark mit dem sich bewegenden Material gekoppelt ist. Dies unterscheidet sich von dem großräumigen Feld, das vom explodierenden Stern übrig bleibt und das vermutlich einen hohen Polarisationsgrad in den Gammastrahlen erzeugt. “
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
