Wie Gammablitze funktionieren – die größten Explosionen im Universum

In wenigen blendenden Sekunden kann ein Gammablitz (GRB) mehr Energie freisetzen, als die Sonne in ihrer gesamten zehn Milliarden Jahre währenden Lebensdauer produzieren wird. Diese katastrophalen Blitze hochenergetischer Strahlung sind die energiereichsten Explosionen im bekannten Universum – etwa eine Million Billionen Mal heller als die Sonne – und sie ereignen sich fast jeden Tag irgendwo im Kosmos.

Eine zufällige Entdeckung

Gammablitze wurden völlig zufällig entdeckt. Im Jahr 1967 fingen die Vela-Satelliten der Vereinigten Staaten – die zur Überwachung der Einhaltung des Atomteststoppvertrags durch die Sowjetunion entwickelt wurden – mysteriöse Blitze von Gammastrahlung auf, die keiner Signatur von Atomwaffen entsprachen. Nach jahrelanger sorgfältiger Analyse veröffentlichten die Astrophysiker Ray Klebesadel, Ian Strong und Roy Olson die Entdeckung im Jahr 1973 und starteten damit eine der längsten Detektivgeschichten der modernen Astronomie.

Jahrzehntelang konnten Wissenschaftler nicht genau bestimmen, woher GRBs kamen oder was sie verursachte. Der Durchbruch gelang im Februar 1997, als der italienisch-niederländische Satellit BeppoSAX einen Ausbruch entdeckte und zum ersten Mal sein verblassendes Röntgen-Nachglühen einfing. Dieses Nachglühen ermöglichte es Astronomen, den Ausbruch zu einer fernen Galaxie zurückzuverfolgen, was bewies, dass GRBs Milliarden von Lichtjahren entfernt entstehen und daher unvorstellbar energiereich sein müssen.

Zwei Arten kosmischer Wut

Astronomen klassifizieren Gammablitze anhand ihrer Dauer in zwei große Kategorien.

Lang andauernde Blitze dauern länger als zwei Sekunden – manchmal Minuten – und entstehen, wenn der Kern eines massereichen Sterns, der mindestens das 25-fache der Sonnenmasse besitzt, seinen nuklearen Brennstoff verbraucht und zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Das neugeborene Schwarze Loch schleudert zwei schmale Teilchenjets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus, die den sterbenden Stern durchdringen und intensive Gammastrahlen in den Weltraum abgeben. Astronomen nennen diesen Mechanismus das Collapsar-Modell, und fast jeder gut untersuchte lange GRB wurde mit einer Galaxie mit schneller Sternentstehung und in vielen Fällen mit einer Supernova in Verbindung gebracht.

Kurz andauernde Blitze dauern weniger als zwei Sekunden und entstehen durch ein ganz anderes Szenario: die Kollision zweier Neutronensterne oder eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs. Diese ultradichten Überreste spiralisieren sich über Millionen von Jahren nach innen und geben Energie in Form von Gravitationswellen ab, bis Gezeitenkräfte sie auseinanderreißen und sie zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen. Die Verschmelzung feuert kurze, energiereiche Jets ab, die den Gammablitz erzeugen.

Gravitationswellen besiegeln den Fall

Jahrelang war die Neutronenstern-Verschmelzungstheorie für kurze GRBs genau das – eine Theorie. Dann, am 17. August 2017, fingen die LIGO- und Virgo-Gravitationswellendetektoren ein Signal namens GW170817 auf: die unverkennbare Welle in der Raumzeit von zwei kollidierenden Neutronensternen. Nur 1,7 Sekunden später entdeckte der Fermi-Satellit der NASA einen kurzen Gammablitz aus demselben Himmelsbereich. Es war das erste Mal, dass ein GRB zusammen mit Gravitationswellen beobachtet wurde, und es bestätigte den Ursprung der Verschmelzung zweifelsfrei.

Dasselbe Ereignis erzeugte eine Kilonova – ein radioaktives Leuchten von frisch geschmiedeten schweren Elementen. Astronomen bestätigten, dass Neutronensternverschmelzungen einen Großteil des Goldes, Platins und anderer Schwermetalle des Universums erzeugen und damit ein jahrzehntealtes Rätsel über den Ursprung dieser Elemente lösen.

Wie Wissenschaftler sie entdecken

Die Erdatmosphäre blockiert Gammastrahlen, sodass GRBs nur aus dem Weltraum entdeckt werden können. Das Swift-Observatorium der NASA, das 2004 gestartet wurde, verfügt über einen empfindlichen Gammastrahldetektor und bordeigene Röntgen- und optische Teleskope, die sich innerhalb von Sekunden automatisch auf jeden neuen Ausbruch ausrichten und das Nachglühen einfangen, bevor es verblasst. Das Fermi Gamma-Ray Space Telescope, das 2008 gestartet wurde, entdeckt mit seinem Gamma-Ray Burst Monitor mehrere hundert Ausbrüche pro Jahr. Zusammen haben diese Missionen Tausende von GRBs katalogisiert und finden weiterhin Ereignisse, die bestehende Modelle in Frage stellen.

Könnte ein GRB die Erde bedrohen?

Die kurze Antwort: mit ziemlicher Sicherheit nicht in absehbarer Zeit. Die tödliche Energie eines GRB ist in schmale Strahlen gebündelt, und es gibt keine Sterne im Umkreis von zweihundert Lichtjahren um die Sonne, die Kandidaten für die Erzeugung eines solchen sind. Im schlimmsten Fall könnte ein nahegelegener Ausbruch, der direkt auf die Erde gerichtet ist, die Ozonschicht schädigen und die Oberfläche schädlicher ultravioletter Strahlung aussetzen – und einige Wissenschaftler haben spekuliert, dass dies zu Massensterben in der tiefen Vergangenheit der Erde beigetragen haben könnte. Aber statistisch gesehen trifft ein Ausbruch, der so energiereich ist wie der rekordverdächtige GRB 221009A, die Erde nur etwa einmal alle zehntausend Jahre.

Warum sie wichtig sind

Gammablitze sind mehr als nur spektakuläre Lichtshows. Da sie über enorme Entfernungen sichtbar sind, dienen sie als kosmische Leuchtfeuer, die die Chemie und Struktur des frühen Universums beleuchten. Sie enthüllen, wie massereiche Sterne sterben, wie schwere Elemente geschmiedet werden und wie sich die Raumzeit selbst unter extremen Bedingungen verbiegt. Jede neue Entdeckung – insbesondere solche, die mit den etablierten Regeln brechen – bringt Physiker dem Verständnis der gewalttätigsten Prozesse in der Natur näher.