Pressemitteilung

Größte Explosionen im Universum von den stärksten Magneten angetrieben

Manche Gammastrahlenausbrüche von langer Dauer werden von Magnetaren verursacht

8. Juli 2015

Astronomen vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching und der Thüringer Landessternwarte Tautenburg konnten durch Beobachtungen an den La Silla- und Paranal-Observatorien erstmals eine Verbindung zwischen einem sehr lange andauernden Gammastrahlenausbruch und einer ungewöhnlich hellen Supernova-Explosion aufzeigen. Ihre Untersuchungen zeigen, dass die Supernova nicht wie erwartet von radioaktivem Zerfall, sondern stattdessen durch ein abklingendes, sehr starkes Magnetfeld um ein exotisches Objekt angetrieben wurde, das als Magnetar bezeichnet wird. Die Ergebnisse erscheinen am 9. Juli 2015 in der Zeitschrift Nature.

Gammastrahlenausbrüche (kurz „GRBs“, vom englischen Begriff „Gamma Ray Bursts“) sind eine der möglichen Folgen, die mit den größten Explosionen in Verbindung gebracht werden, die seit dem Urknall stattgefunden haben. Aufgespürt werden sie von Teleskopen in der Erdumlaufbahn, die für diese Art hochenergetischer Strahlung empfindlich sind, die die Erdatmosphäre nicht durchdringen kann. Anschließend werden sie im langwelligeren Bereich von anderen Teleskopen beobachtet, sowohl vom Weltraum als auch von der Erde aus.

Für gewöhnlich dauern GRBs nur ein paar Sekunnden, aber in ganz seltenen Fällen hält die Gammastrahlung für Stunden an [1]. Ein solch besonders lang dauernder GRB wurde am 9. Dezember 2011 vom Swift-Satelliten entdeckt und erhielt die Bezeichnung GRB 111209A. Dabei handelte es sich sowohl um einen der längsten als auch um einen der hellsten GRBs, die je beobachtet wurden.

Als das Nachleuchten dieses Ausbruchs langsam abklang, nahm man ihn sowohl mit dem GROND-Instrument am MPG/ESO-2,2-Meter-Teleskop auf La Silla als auch dem X-Shooter-Spektrografen des Very Large Telescope (VLT) am Paranal genauer unter die Lupe. Was man fand, war charakteristisch für eine Supernova und so gab man ihr später den Namen SN 2011kl. Es war das erste Mal überhaupt, dass man eine Supernova mit einem sehr lang andauernden GRB in Verbindung bringen konnte [2].

Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, der Erstautor der Studie, in der die neuen Ergebnisse präsentiert werden, erklärt: „Da auf 10.000-100.000 Supernovae nur etwa ein lananhaltender Gammastrahlenausbruch kommt, muss der Stern, der explodiert ist, irgendwie besonders sein. Bislang sind wir immer davon ausgegangen, dass diese GRBs von sehr massereichen Sternen – mit etwa dem 50-fachen der Sonnenmasse – stammen und dass sie die Entstehung eines Schwarzen Lochs signalisieren. Unsere neuen Beobachtungen der Supernova SN 2011kl, die nach dem GRB 111209A entdeckt wurde, ändern jetzt allerdings dieses Paradigma für GRBs von sehr langer Dauer.“

Im bevorzugten Szenario des Kollapses eines massereichen Sterns (manchmal auch als Kollapsar bezeichnet) nimmt man an, dass der mehrere Wochen andauernde Ausbruch optischer und infraroter Strahlung aus der Supernova vom Zerfall von radioaktivem Nickel-56 herrührt, das in der Explosion entstanden ist [3]. Aber im Fall von GRB 111209A zeigten die kombinierten Beobachtungen mit GROND und dem VLT zum ersten Mal eindeutig, dass dies nicht der Fall sein kann [4]. Andere Vorschläge wurden ebenfalls ausgeschlossen [5].

Die einzige Erklärung, die zu den Beobachtungen der Supernova passte, die auf GRB 111209A folgte, war die, dass sie von einem Magnetar angetrieben wurde – einem winzig kleinen Neutronenstern, der sich hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse dreht und ein Magnetfeld aufweist, das deutlich stärker ist als jenes normaler Neutronensterne, die auch als Radiopulsare bekannt sind [6]. Man geht davon aus, dass Magnetare die am stärksten magnetisierten Objekte im bekannten Universum sind. Es war das erste Mal, dass solch ein eindeutiger Zusammenhang zwischen einer Supernova und einem Magnetar beobachtbar gewesen ist.

Paolo Mazzali, Koautor der Studie, sinniert über die Bedeutung der neuen Erkentnisse: „Die neuen Ergebnisse liefern hervorragende Belege für einen unerwarteten Zusammenhang zwischen GRBs, sehr hellen Supernovae und Magnetaren. Zwar wurden einige dieser Zusammenhänge auf theoretischer Grundlage bereits seit einigen Jahren vermutet, aber die Sachen untereinander in Verbindung zu bringen, ist eine aufregende neue Entwicklung.“

„Der Fall von SN 2011kl/GRB 111209A zwingt uns, eine Alternative zu dem Szenario des Kollapsars in Erwägung zu ziehen. Diese Ergebnisse bringen uns einen großen Schritt weiter in Richtung eines neuen und klareren Bildes hinsichtlich der Funktionsweise von GRBs“, fasst Jochen Greiner zusammen.

Endnoten

[1] Normale langanhaltende GRBs dauern zwischen 2 und 2000 Sekunden. Es gibt inzwischen vier bekannte GRBs mit einer Dauer zwischen 10.000-25.000 Sekunden – sie werden als ultralange GRBs bezeichnet. Es gibt auch eine eigene Klasse von GRBs, die kürzer andauern und von denen man ausgeht, dass sie durch einen anderen Mechanismus verursacht werden.

[2] Die Verbindung zwischen Supernovae und (normalen) GRBs von langer Dauer wurde zum ersten Mal 1998 ins Gespräch gebracht, hauptsächlich durch Beobachtungen der Supernova SN 1989bw durch Observatorien der ESO, und 2003 mit GRB 030329 bestätigt.

[3] Man geht davon aus, dass der GRB selbst von relativistischen Jets erzeugt wird, wenn die Materie des Sterns über eine heiße, dichte Akkretionsscheibe auf das zentrale kompakte Objekt kollabiert.

[4] Die Menge an Nickel-56, die mit dem GROND-Instrument in der Supernova gemessen wurde, ist um einiges zu hoch, als dass sie mit der starken ultravioletten Strahlung vereinbar gewesen wäre, wie sie mit dem X-Shooter-Instrument beobachtbar war.

[5] Andere vorgeschlagene Quellen an Energie um sehr leuchtkräftige Supernovae zu erklären waren Wechselwirkungen durch Stöße mit der umgebenden Materie – möglicherweise in Zusammenhang mit den stellaren Hüllen, die vor der Explosion abgestoßen werden – oder ein blauer riesengroßer Vorläuferstern. Im Fall von SN 2011kl schlossen die Beobachtungen beide Optionen aus.

[6] Pulsare bilden die gewöhnlichste Klasse an beobachtbaren Neutronensternen, bei Magnetars hingegen geht man davon aus, dass sie Magnetfelder entwickeln, die 100 bis 1000 Mal stärker sind als jene, die man in Pulsaren beobachten konnte.

Weitere Informationen

Die hier präsentierten Forschungsergebnisse von J. Greiner et al. erscheinen am 9. Juli 2015 unter dem Titel ”A very luminous magnetar-powered supernova associated with an ultra-long gamma-ray burst“ in der Fachzeitschrift Nature.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Jochen Greiner (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, [MPE]; Excellence Cluster Universe, Technische Universität München, Garching), Paolo A. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England; Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching [MPA]), D. Alexander Kann (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg), Thomas Krühler (ESO, Santiago, Chile) , Elena Pian (INAF, Institute of Space Astrophysics and Cosmic Physics, Bologna, Italien; Scuola Normale Superiore, Pisa, Italien), Simon Prentice (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England), Felipe Olivares E. (Departamento de Ciencias Fisicas, Universidad Andres Bello, Santiago, Chile), Andrea Rossi (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg; INAF, Institute of Space Astrophysics and Cosmic Physics, Bologna, Italien), Sylvio Klose (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg) , Stefan Taubenberger (MPA; ESO, Garching), Fabian Knust (MPE), Paulo M.J. Afonso (American River College, Sacramento, California, USA), Chris Ashall (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England), Jan Bolmer (MPE; Technische Universität München, Garching), Corentin Delvaux (MPE), Roland Diehl (MPE), Jonathan Elliott (MPE; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Robert Filgas (Institute of Experimental and Applied Physics, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Johan P.U. Fynbo (DARK Cosmology Center, Niels-Bohr-Institut, University of Copenhagen, Denmark), John F. Graham (MPE), Ana Nicuesa Guelbenzu (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg), Shiho Kobayashi (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England), Giorgos Leloudas (DARK Cosmology Center, Niels-Bohr-Institut, University of Copenhagen, Dänemark; Department of Particle Physics & Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Israel), Sandra Savaglio (MPE; Universita della Calabria, Italien, Patricia Schady (MPE), Sebastian Schmidl (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg), Tassilo Schweyer (MPE; Technische Universität München, Garching), Vladimir Sudilovsky (MPE; Harvard-Smithonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Mohit Tanga (MPE), Adria C. Updike (Roger Williams University, Bristol, Rhode Island, USA), Hendrik van Eerten (MPE) und Karla Varela (MPE).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch 16 Länder: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist einer der Hauptpartner bei ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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