Innsbruck/Wien. Forschende haben bei der Beobachtung von zwei Gammastrahlenausbrüchen die energiereichsten Photonen jemals gemessen. Gammastrahlenausbrüche (Gamma-ray bursts, GRB) sind die energiereichsten Explosionen im All und somit die gewaltigsten kosmischen Katastrophen. Sie entstehen bei der Verschmelzung von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern, oder aber dem Kollaps eines massereichen Sterns.

Die im Fachjournal "Nature" vorgestellten Studienergebnisse, zu denen auch Innsbrucker Forscher beigetragen haben, geben Einblicke in die Prozesse, die solche Ereignisse verursachen.

Im Juli 2018 und im Jänner 2019 meldeten zwei auf die Beobachtung von GRB spezialisierte Weltraumteleskope jeweils einen derartigen Ausbruch. Erstmals wurden dabei Gammastrahlenblitze mit Energien von mehr als einem Teraelektronenvolt gemessen. Photonen mit dieser Energie wurden dabei auch erstmals mit bodengestützten Gammastrahlungsteleskopen nachgewiesen, konkret mit den Hess-Teleskopen in Namibia und den Magic-Teleskopen auf der kanarischen Insel La Palma.

Auf der Erde lässt sich die Gammastrahlung nicht direkt sehen. Vielmehr wird ihr Licht, genannt Tscherenkow-Licht, beobachtet. Es entsteht, wenn Gammastrahlen in der Erdatmosphäre auf Luftmoleküle stoßen und dabei unzählige weitere Teilchen und somit Leuchteffekte erzeugen. "Bisher konnte immer nur das Fermi-Teleskop vom Weltraum aus die höchsten Gammaenergien nachweisen", erklärte Olaf Reimer vom Institut für Astrophysik der Uni Innsbruck.

Intensives Nachglühen

Das Magic-Teleskop konnte bei einem Ausbruch im Jänner 2019 nur 28 Sekunden nach dem ersten Aufleuchten des GRB die Daten sammeln. Bei dem Ausbruch im Juli 2018 dauerte es dagegen zehn Stunden, bis die entsprechende Himmelsregion in das Gesichtsfeld der Hess-Teleskope kam. Und obwohl sich die Intensität der Gammablitze innerhalb von Sekunden stark verringert, konnte mit den in Namibia stationierten Instrumenten das Nachglühen des GRB beobachtet werden.

Die Forscher suchen nach einem Modell, das die Emission von Gammastrahlen-Photonen mit extrem hohen Energien sowohl kurz nach dem Ausbruch als auch noch Stunden danach erklären kann.

"Bisher erklärte man die hochenergetischen Beobachtungen durch Synchrotronstrahlung, verursacht durch die Bewegung von Elektronen in Magnetfeldern", erklärt Paolo Da Vela von der Universität Innsbruck. "Offenbar muss noch etwas passieren, um zu Höchstenergien zu kommen, und zwar sowohl sofort als auch noch Stunden später", fügt Reimer hinzu. Ein möglicher Mechanismus heißt "inverse Compton-Streuung". Dabei werden Photonen von Elektronen gestreut, was ihre Energie erhöht.(apa/est)