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Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

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Pressemitteilung vom 18. Februar 2005

( Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft SP 8 / 2005 (26) )

Gamma-Blitz von Magnetar trifft Erde -- Lösung für mysteriöses kosmisches Rätsel?

(G. Lichti, A. von Kienlin)

Magnetar

Abb. 1: Magnetar mit extrem starken Magnetfeld.
Solch ein Objekt wird als Ort des Gammastrahlenausbruchs vermutet.

Bild: R. Mallozzi/NASA

Am 27. Dezember 2004 um 22:30:26 MEZ wurde die Erde von einer gewaltigen Wellenfront von Gamma- und Röntgenstrahlung getroffen. Es war der stärkste Fluß von hochenergetischer Strahlung, der bisher auf der Erde gemessen wurde. Er war sogar stärker als der stärkste jemals gemessene Flare (Strahlungsausbruch) von der Sonne. Das interessante an dieser Entdeckung ist die Entstehung dieser Strahlung. Sie stammt nämlich von einem winzigen Himmelskörper, einem extrem dichten Neutronenstern mit einem äußerst starken Magnetfeld, der sich auf der anderen Seite unserer Milchstraße in etwa 50 000 Lichtjahren Entfernung befindet. Dieser Magnetar, der einen Durchmesser wie eine mittlere Großstadt und eine Masse vergleichbar mit der Sonne hat, erlitt eine gewaltige magnetische Instabilität, wobei sich sein starkes Magnetfeld in einen niedrigeren Energiezustand umorientierte. In den ersten 0.2 s wurde von diesem Objekt die gleiche Energiemenge emittiert wie von der Sonne in etwa einer Viertelmillion Jahren. Dieser Ausbruch war etwa 100-mal stärker als der bisher stärkste Ausbruch von einem Magnetar. Verständlich, daß dieses Ereignis Wissenschaftler auf der ganzen Welt, darunter auch Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München, in Aufregung versetzte und sie die Daten schnell auswerteten. Erste Ergebnisse sind in einem Artikel enthalten, der vor kurzem bei Nature zur Veröffentlichung eingereicht wurde. Sie werfen ein neues Licht auf die Physik von Magnetaren und tragen dazu bei, ein seit langem existierendes Rätsel um kosmische Gamma-Strahlenbursts lösen zu können.

Dieses seltene Ereignis wurde von einem Detektor gemessen und sofort weltweit bekannt gemacht, der von einer Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik für die INTEGRAL-Mission der ESA gebaut wurde. Es handelt sich dabei um ein Antikoinzidenzschild des INTEGRAL-Spektrometers SPI, das aus 91 Blöcken aus sehr schweren und somit gut für den Nachweis von Gammastrahlung geeigneten Wismutgermanat-Kristallen (BGO) besteht, die insgesamt 512 kg wiegen. Dieses Schild, dessen Hauptaufgabe darin besteht, den Hauptdetektor von SPI von Hintergrundstrahlung abzuschirmen, wird auch als Gammastrahlendetektor verwendet. Es handelt sich dabei um einen der sensitivsten Gammaburstdetektoren, der zur Zeit die Erde umkreist. "Allein durch die Messung dieses Strahlenausbruches hat sich die Entwicklung dieses Burstdetektors gelohnt", sagt Giselher Lichti, unter dessen Führung dieser Detektor entwickelt und gebaut wurde. Später wurde dann festgestellt, daß dieser Burst auch noch von 13 anderen Röntgen- und Gammadetektoren gemessen wurde, die im interplanetaren Raum zwischen Erde und Saturn Messungen durchführen. Sogar der russische Coronas-F Satellit sah diesen Burst, obwohl er sich zur Zeit des Ereignisses hinter der Erde befand, er die direkte Strahlung von der Quelle also gar nicht messen konnte. Eine Analyse der Ankunftszeiten ergab, daß dieses Instrument Gammastrahlen von diesem Burst gemessen hatte, die von der Mondoberfläche reflektiert worden waren.
Wegen der Stärke des Bursts und seiner durchdringenden Strahlung konnten auch Detektoren diesen Burst messen, die nicht auf die Stelle am Himmel gerichtet waren, von dem die Strahlung kam. Die Gammastrahlung durchdrang nämlich die Abschirmungen aus Metall oder Kristallen und brachte die Detektoren kurzzeitig in die Sättigung. Zum Glück ist die Atmosphäre für diese Strahlung undurchdringlich, da sie die Atome der Hochatmosphäre ionisiert und dabei absorbiert wird, so daß das Leben auf der Erde nicht in Gefahr war. Lediglich die auf dem Satelliten Integral angebrachten Zähler des vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gebauten Burstdetektors sind so ausgelegt, daß sie nicht gesättigt wurden. "Das Verhalten der vom MPE gebauten Detektoren unter so hohem Strahlungsfluß muß noch genauer untersucht werde, um eine direkte Abschätzung der gesamten Energieabstrahlung dieses Ereignisses zu erlauben", sagt Andreas von Kienlin, ebenfalls Wissenschaftler am MPE, der das Instrument am Boden und im Orbit kalibriert und eingestellt hat. Mit einer Zeitauflösung von 50 ms liefert das vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gebaute Instrument auch eine hochaufgelöste Lichtkurve.

Die Position des Objektes, das den Ausbruch zeigte, befindet sich in der Konstellation Sagittarius (zur Zeit des Ausbruchs nur etwa 5º von der Sonne entfernt), in der Nähe des galaktischen Zentrums. Mit Hilfe des interplanetaren Netzwerkes, einem Zusammenschluß von mehreren Satellitenmissionen, gelang es Kevin Hurley von der Universität Berkeley in Kalifornien mittels Triangulation die Position des Objektes so genau zu bestimmen, daß man es mit dem bekannten Magnetar SGR 1806-20 identifizieren konnte (SGR steht für Soft Gamma-Ray Repeater, weil diese Sterne gelegentlich Bursts von weicher Gammastrahlung emittieren). Diese Position wurde sehr genau von Radioastronomen des Very-Large Array in Socorro, New Mexico, durch Messung eines verglimmenden Nachleuchtens bei Radiowellen bestätigt. Die Beobachtung dieses Nachleuchtens liefert außerdem wichtige Informationen über den Explosionsmechanismus und wird zu einem besseren Verständnis des beobachteten Phänomens beitragen.

Lichtkurve
Abb. 2: Lichtkurve des Ausbruchs von SGR 1806-20, gemessen mit dem Antikoinzidenzschild des Spektrometers SPI auf dem INTEGRAL-Satelliten. Zu sehen ist der kurze Hauptausbruch bei 0 Sekunden, von dem nur der unterste Teil zu sehen ist. Das Maximum ist etwa 22 mal höher als im Bild gezeigt. Danach setzt das pulsierende Nachleuchten ein, das bis etwa 200 Sekunden deutlich zu sehen ist.

Bild: A. von Kienlin, MPE

Der Ausbruch begann mit der Emission von harter Gammaemission, die nur einen Bruchteil einer Sekunde dauerte, aber den Großteil der emittierten Energie enthielt. Dieser Ausbruch war gefolgt von einer schwächeren Röntgenemission, die mehr als 6 Minuten andauerte und deren Intensität mit einer Periode von 7.56 s oszillierte. Diese Oszillation wird mit der Rotationsperiode des Neutronensterns in Verbindung gebracht.
Die Messungen zeigten, daß die Energieverteilung der Gammaquanten des Hauptausbruches charakteristisch für ein ultra-heißes thermisches Glühen (Plasma) ist. Genau das, was die Wissenschaftler von einem Magnetar erwarten, der leichte hochenergetische Teilchen ausstößt (im wesentlichen Elektronen und Positronen, den Antiteilchen der Elektronen). Die meisten dieser Teilchen zerstrahlten offensichtlich in reine Gammastrahlen, die dann in den interstellaren Raum entwichen. Radiobeobachtungen erzählen uns jedoch, daß wenig Strahlung von diesen Teilchen selbst im Radiobereich erzeugt wurde. Die oszillierende Röntgenemission stammt offenbar von übriggebliebenen Elektronen, Positronen und Gammastrahlen, die im Magnetfeld des Magnetars eingeschlossen sind. Die Theorie sagt vorher, daß solch ein heißer eingeschlossener Feuerball (trapped fireball) innerhalb von Minuten schrumpfen und verdampfen sollte. Seine Helligkeit scheint zu oszillieren, weil der Feuerball über das Magnetfeld on die Oberfläche des rotierenden Neutronensterns gebunden ist.

Lichtkurve

Abb. 3: Überblick und Details der Lichtkurve des Ausbruchs von SGR 1806-20.

Bild: A. von Kienlin, MPE

Die riesige Energiemenge des Ausbruchs vom 27. Dezember 2004 legt eine neue Lösung für ein altes Problem der Gammastrahlen-Burstastronomie nahe. Es handelt sich um die Frage, was die Quellen der so genannten "Short-Duration Gamma-Ray Bursts" sind. In den letzten 35 Jahren hat man Hunderte von kurzen (<2 s) mysteriösen Blitzen von hochenergetischer Strahlung aus den Tiefen des Raumes gemessen, ohne daß man weiß, woher diese gemessene Strahlung kommt. Eine Hypothese besagt, daß diese Strahlung bei der Verschmelzung von zwei kompakten Objekten (z. B. von zwei Neutronensternen oder einem Neutronensternmit einem Schwarzen Loch) entstehen könnte. Die neuen Beobachtungen lassen nun eine weitere Interpretation der Beobachtungen zu. Es könnte sich dabei nämlich zum Teil um Ausbrüche wie dem am 27. Dezember beobachteten handeln. Danach können solche kurzen Ausbrüche auf Grund ihrer Intensität von sehr fernen Galaxien beobachtet werden. Ein Ereignis mit der vor kurzem gemessen Stärke könnte bis zu Entfernungen von einigen Hundertmillionen Lichtjahren beobachtet werden. Da sich in diesem Entfernungsbereich viele Galaxien befinden müßte man solche Ereignisse häufig sehen. Man könnte damit also die Beobachtungen zu einem beträchtlichen Teil, wenn nicht sogar ganz, erklären.

Wie kann man sich nun den enormen Energieausstoß von einem solchen Magnetar erklären? Die Erfinder des Magnetarmodells, die Theoretiker Robert Duncan (Universtät von Texas, Austin) und Christopher Thompson (Canadian Institute of Theoretical Astrophysics, Toronto), schlagen folgendes neue Szenario vor, um den gigantischen Energieausstoß bei einem solchen Flare erklären zu können: um ihre Idee verstehen zu können, muß man sich erst einmal das ungeheuer starke Magnetfeld eines Magnetars bewußt machen, das um einen Faktor 1000 stärker ist als das eines normalen Neutronensterns (das bereits eine Billion (1012) mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde). In solchen starken Feldern wird z. B. ein Wasserstoffatom so stark deformiert, daß es nadelförmig wird (~200 mal schmäler als lang). So ein Stern hat tief in seinem Inneren ein stark verdrilltes Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien sich wie eine Uhrfeder um die Rotationsachse winden. Sein äußeres Magnetfeld jedoch ähnelt mehr oder weniger dem eines Dipols eines Stabmagneten (vergleichbar dem Erdmagnetfeld).
Man glaubt, daß das verdrillte innere Magnetfeld das Überbleibsel der schnellen Rotation ist, die der Stern bei seiner Geburt mitbekam. Es enthält den größten Teil der magnetischen Energie des Sterns. Dieses Magnetfeld übt unvermeidlicherweise eine Kraft von unten auf die 1 km dicke Kruste des Sterns mit einem Radius von 10 km aus. Mit der Zeit wird diese Kraft die Kruste so verschieben, daß die nördliche magnetische Hemisphäre sich gegenüber der südlichen verschiebt. Das hat zum einen zur Folge, daß sich das äußere Magnetfeld verdrillt und zum anderen, daß starke Ladungsströme um den Stern fließen. Wenn sich die Magnetfelder immer stärker verdrillen, dann lassen diese Ströme den Stern hell im hochenergetischen Röntgenbereich aufscheinen. Die Verdrillung des äußeren Magnetfeldes beeinflußt auch die Rotation des Sterns und führt zu einer stärkeren Abbremsung.
Das scheint mit dem Magnetar SGR 1806-20 im Jahr 2004 passiert zu sein. Von März 2004 bis zum Ausbruch im Dezember hat SGR 1806-20 viele einzelne schwache Ausbrüche gezeigt, die auf eine Verschiebung der Kruste hindeuteten (diese Ausbrüche waren weniger stark als der Riesenausbruch vom Dezember, aber einzelne Bursts emittierten in einem Bruchteil einer Sekunde immer noch soviel Energie wie die Sonne in einem Jahr). SGR 1806-20 wurde also immer heller im Röntgenlicht, mit Emission von immer mehr harten Röntgenphotonen und einer stärkeren Abbremsung. Alle diese Messungen deuteten darauf hin, daß sich das äußere Magnetfeld mehr und mehr verdrillte. In dem Modell für den Ausbruch vom 27. Dezember von Duncan und Thompson wurde die Verdrillung so stark, daß der Stern mit seiner Kruste instabil wurde. Die Spannung des äußeren Magnetfelds hat sich dann in einem enormen Ausbruch entladen und das Magnetfeld hat sich dann in einem niedrigeren und unverdrillten Zustand neu angeordnet.

Referenzen:

Borkowski J., D. Götz, S. Mereghetti et al. 2004, GCN Circ. No. 2920

R.C. Duncan 2001, Gamma-Ray Bursts from Extragalactic Magnetar Flares, 20th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics, astro-ph/0103235

Thompson, C. and Duncan, R. C. 1993, ApJ, 408,194

Hurley, K., Boggs, S. E., Smith, D. M., Duncan, R. C., Lin, R., Zoglauer, A., Krucker, S., Hurford, G., Hudson, H., Wigger, C., Hajdas, W., Thompson, C., Mitrofanov, I., Sanin, A., Boynton, W., Fellows, C., von Kienlin, A., Lichti, G., Rau, A., and Cline, T., A Tremendous Flare from SGR1806-20 with Implications for Short-Duration Gamma-Ray Bursts, Nature (submitted), 2005

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