Apokalypse aus dem All - Spektrum der Wissenschaft
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Blick in die Forschung: Kurzberichte Apokalypse aus dem All Könnte ein energiereicher Gammastrahlenblitz das Leben auf der Erde auslöschen? Astrophysiker haben die Wahrscheinlichkeit dieses potenziellen Endzeit-Szenarios berechnet. Ein energiereicher langer Gammablitz könnte – so wie in dieser künstlerischen Darstellung – die Ozonschicht in der NASA Erdatmosphäre zerstören und damit ein Massenaussterben auslösen. 16 Juni 2015 Sterne und Weltraum G ammablitze gehören zu den kürzes- saströsen Konsequenzen für alle Land- und ten, aber auch zu den energiereichsten auch Meeresbewohner der Erde. Ereignissen im Universum. Sie entstehen Piran und Jimenez haben daher ein Mo- einer halben Milliarde Jahre von einem le- mit hoher Wahrscheinlichkeit bei beson- dell für die Wahrscheinlichkeit eines sol- bensbedrohlichen Gammablitz mit einer ders energiereichen Supernova-Explosio- chen Ereignisses erstellt, in das verschiede- Energiedichte von 100 Kilojoule pro Qua- nen, so genannten Hypernovae, oder beim ne Parameter eingeflossen sind: die Häufig- dratmeter getroffen wird, beträgt immer- Verschmelzen zweier Neutronensterne. keit von kurzen und langen Gammablitzen hin 50 Prozent. Diese Wahrscheinlichkeit Zwar sind Gammablitze für das menschli- und ihre Helligkeit sowie die Eigenschaften steigt auf 60 Prozent an, wenn der Zeit- che Auge unsichtbar, da sie – wie der Name ihrer Ursprungsgalaxien. So kommen lange raum auf eine Milliarde Jahre erhöht wird. schon sagt – hauptsächlich im Gammabe- Gammablitze vor allem aus metallarmen Innerhalb des gesamten Erdzeitalters von reich des elektromagnetischen Spektrums Zwerggalaxien, also aus Galaxien, in denen knapp fünf Milliarden Jahren beträgt die- strahlen. Dort jedoch leuchten sie für weni- es einen sehr geringen Anteil an Elementen se Wahrscheinlichkeit sogar 90 Prozent. ge Sekunden so hell wie eine ganze Galaxie. schwerer als Wasserstoff oder Helium gibt. Anders ausgedrückt: Es ist eher unwahr- Auf Grund der Tatsache, dass Gam­ma­ Die Autoren nehmen eine gleichmäßige scheinlich, dass die Erde in ihrer langen blit­ze über die Himmelssphäre gleichmä- Verteilung von Gammablitzen im Raum Geschichte nicht schon einmal von einem ßig verteilt sind, stellt sich die Frage: Was an, so dass sie daraus den Energiefluss würde passieren, wenn ein solcher Gam- über einen Zeitraum hinweg berechnen langen Gammablitz getroffen worden ist. Wissenschaftler haben dafür sogar mablitz die Erde träfe? Zwei theoretische konnten – und damit auch die Wahrschein- einen Zeitpunkt festgemacht. Sie speku- Astrophysiker, Tsvi Piran von der He­bräi­ lichkeit, dass ein Planet in diesem Zeitraum lieren, dass eines der fünf irdischen Mas- schen Universität in Jerusalem und Raul von einem Gammablitz getroffen wird. senaussterben, nämlich das ordovizische Jimenez von der Universität Barcelona, ha- Nun die schlechte Nachricht: Die Wahrscheinlichkeit, dass die Erde innerhalb Massenaussterben vor rund 450 Millionen ben nun den möglichen Einfluss von Gam­ Gute und schlechte Nachrichten ma­blit­zen auf die Entwicklung von Leben Die gute Nachricht zuerst: Wegen der spe- ausstarb, von einem Gammablitz ausgelöst im Universum berechnet. Sie bestimmten ziellen Eigenschaften der Ursprungssterne worden sein könnte. Darauf deuten Spuren dabei auch die Wahrscheinlichkeit, mit der langen Gammablitze kommen nur et- bestimmter Metallisotope in Gesteinsla- der die Erde von einem solchen Energie- wa zehn Prozent der Sterne im Milchstra- gen hin, sowie die Tatsache, dass vor allem ausbruch getroffen wird. Ihre Ergebnisse ßensystem auf Grund ihres Metallgehalts Lebewesen nahe der Meeresoberfläche be- lassen darauf schließen, dass man sich akut als potenzielle Erzeuger überhaupt infrage troffen waren, deren weite Verbreitung sie zwar keine Sorgen machen muss, dass ein (siehe Grafik unten). oft vor einem Aussterben schützt. Jahren, bei dem rund die Hälfte aller Arten solches Szenario aber auch nicht komplett aus der Luft gegriffen ist. die mehrere Sekunden oder sogar Minuten andauern können. Diese werden emittiert, wenn ein massereicher Stern am Ende sei- Metallizität der langen Gammablitze D ie Grafik zeigt den Anteil von Sternen und Gammastrahlenausbrüchen in Abhängigkeit von ihrer Metallizität. Dabei bezeichnet die Metallizität Z das auf die Sonne normierte logarithmierte Verhältnis der Summe aller Elemente schwerer als ner Entwicklung kollabiert und daraufhin Helium (NX) zu Wasserstoff (NH): Z = lg (NX/ NH) – lg (NX/ NH)A. Unsere Sonne hat da- als Supernova explodiert. Aus bislang noch bei die Metallizität null (Z = 0). Die Sterne in der Milchstraßenscheibe liegen alle im nicht ganz geklärten Gründen bildet sich Metallizitätsbereich –0,5 bis +0,5 (grau und gelb). Der Metallgehalt der Ursprungsor- bei etwa einem Prozent dieser Supernovae te der langen Gammablitze (long duration GRB, LGRB) wird durch den roten und den entlang der Rotationsachse ein gebündel- grünen Bereich angezeigt: Diese Linien überschneiden sich mit denjenigen der Milch- ter Strom aus geladenen Teilchen, der wie- straßenscheibe nur im einstelligen Prozentbereich – die Objekte haben demnach derum Gammastrahlung erzeugt. eine gänzlich verschiedene Zusammensetzung. 20 Horrorszenario Sterne der Milchstraßenscheibe Was würde also passieren, wenn eine Supernova im Milchstraßensystem explodierde schickte? Selbst milde Blitze mit einem Energieeintrag von 10 Kilojoule pro Quadratmeter würden die komplette Ozonschicht über Monate hinweg zu rund 70 Prozent ausdünnen (siehe Bild S. 16). Starke Blitze mit 1000 Kilojoule pro Quadratmeter Sternalter: < 1109 Jahre 15 Anteil in Prozent te und einen Gammablitz in Richtung Er- 10 Tsvi Piran, Racah Institute of Physics, The Hebrew University, Jerusalem / SuW-Grafik Piran und Jimenez konzentrierten sich dabei auf so genannte lange Gammablitze, Sternalter: 1 bis 5109 Jahre lange Gammastrahlenblitze (LGRB) LGRB aus Sternentstehungsrate LGRB mit Wasserstoff im Vordergrund 5 verdampften gar die dem Blitz zugewandte Erdatmosphäre zu großen Teilen. Ohne die schützende Ozonschicht wäre die Erde monate- oder gar jahrelang der UV-Strahlung 0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 Metallizität der Sonne schutzlos ausgesetzt – mit de- www.sterne-und-weltraum.de Juni 2015 17 GRB ohne Korrektur der Metallizität 60 0,8 0,6 as se LGRB: Gammastrahlenausbrüche länger als 2 Sekunden s Abstand os hl der Sonne c es sGRB: Gammazum ng i e strahlenausbrüche galaktischen kürzer als 2 Sekunden Zentrum 0,4 M 40 en e Wahrscheinlichkeit in Prozent für die letzte eine Milliarde Jahre 80 1,0 20 0 1 2 4 7 10 15 0,2 0 20 eingeschlossener Teil der Gesamtmasse der Galaxis Tsvi Piran, Racah Institute of Physics, The Hebrew University, Jerusalem / SuW-Grafik 100 lichkeit für einen In den Außenbezirken der Galaxis ist es sicherer Planeten, von mehr Allerdings steht die Erde innerhalb ihres als einem lethalen Sonnensystems am Rand des Milchstra- Gam­ma­blitz pro ßensystems sehr gut da, denn je höher eine Milliarde Jahre die Sterndichte, desto höher ist die Wahr- getroffen zu wer- scheinlichkeit für einen Planeten, von den, ist hier gegen einem Gammablitz getroffen zu werden seinen Abstand zum (siehe Grafik links). So sollte das innerste galaktischen Zen- Viertel der Sterne unserer Galaxis nahe trum aufgetragen. dem Zentrum etwa alle Milliarden Jahre Ohne Korrekturen von einem langen Gammablitz getroffen zur Metallizität werden. Daraus schließen die Autoren, wird die Gefahr dass komplexes Leben, das mehrere Milli- überschätzt (graue arden Jahre zur Entwicklung benötigt, nur gepunktete Kurve). am Rand großer Galaxien möglich sei. Die Wahrschein- Distanz vom Zentrum der Galaxis in Kiloparsec Auch in anderen Regionen des Universums sieht die Lage nicht unbedingt besser aus. Verglichen mit dem Milchstraßensystem sind die meisten Galaxien klein und Zum Nachdenken metallarm. Folglich gibt es dort mehr Gam- Gammastrahlenblitz trifft die Erde mablitze und das bedeutet: Etwa 90 Pro­zent aller Galaxien haben ein zu hohes Aufkommen an Gammablitzen, als dass sich dort komplexes Leben bilden könnte. Natürlich gehen die Autoren in ihrer D Analyse von erdähnlichem Leben aus, das de treffenden Gammastrahlen- so besäße sie die typische Leuchtkraft L* 3 1045 W. In welchen Distanzen d10, blitzes wird die Menschheit hoffent- d100, d1000 befinden sich die Quellen von findet und Schaden durch UV-Strahlung lich nie erleben müssen. Denn die Fol- Gammablitzen, wenn sie am Ort der Er- nimmt. Allerdings könnten ihre Ergebnis- gen wären katastrophal bis lethal. Die de die Flüsse F10, F100 beziehungsweise se Teil der Lösung von Fermis Paradox sein. dem Kurzbericht »Apokalypse aus dem F1000 verursachen und ihre Blitzdauer Demnach wäre Leben im Universum auf All« zu Grunde liegende Forschungsar- ta oder tb ist? Man gebe die Ergebnisse Grund der zerstörerischen Kraft der Gam- beit hat solche Folgen für GammablitzEnergieflüsse von F10 10 kJ/m2, F100 in Lichtjahren an (1 Lj 9,461 1015 m). mablitze so selten. Auch für Programme Zum Vergleich: Neben den vermutlich wie SETI, die nach Anzeichen außerirdi- as Horrorszenario eines die Er- 100 kJ/m2 und F1000 1000 kJ/m2 sich auf der Oberfläche eines Planeten be- be- von Supernova-Explosionen masserei- schen Lebens suchen, könnte das Folgen rechnet und die Häufigkeit solcher Er- cher Sterne stammenden LGRB messen haben. Bislang konzentrierten sich solche eignisse abgeschätzt. die Gammasatelliten gelegentlich auch Suchaktionen eher auf das galaktische Zen- star­ke Ausbrüche von Mag­ne­ta­ren, so trum, weil dort die Sterndichte höher ist. Aufgabe 1: Die mittlere von der Son- ge­nann­te Soft-Gamma-Repeater-(SGR)-­ Genau dies könnte aber der Faktor sein, der ne eingestrahlte Leistung beträgt S Flares. Das Ereignis mit der Bezeich- das Leben dort durch Gammablitze »regelmäßig« auslöscht. 1,367 kW/m2. Diese Größe wird Solar- nung SGR 1900+14 am 27. August 1998 konstante genannt. Um welche Fakto- war so überaus heftig, dass es die Iono- ren f übertreffen die Gammablitz-Ener- sphäre unserer Erde beeinträchtigte, Franziska Konitzer studierte Physik und gieflüsse die Solarkonstante, wenn die obwohl der Magnetar in einer Entfer- Astrophysik an der University of York in Groß- Leuchtdauer der langen Gammablitze, nung von rund 20 000 Lichtjahren steht. britannien und schloss das Studium mit einem die wir hier annehmen, typischerweise ta 5 Sekunden oder tb 20 Sekunden Es ereignete sich über der Nachtseite Master ab. Derzeit ist sie in München als freie unseres Planeten und brachte die Ioni- Journalistin tätig. beträgt? sation fast auf Tagesniveau herunter. Axel M. Quetz Literaturhinweis Aufgabe 2: Lange Gammastrahlenblitze (LGRB) entspringen der Quelle in Form Ihre Lösungen senden Sie bitte bis zum Piran, T., Jimenez, R.: Possible Role of Gamma Ray Bursts on Life Extinction in the Universe. In: Physical Review Letters 113, 231102, 2014 zweier in entgegengesetzte Richtungen 4. Juni 2015 an: Redak­tion SuW – Zum laufenden engen Bündeln, genannt Jets. Nach­denken, Haus der As­tro­no­mie, Von deren Richtung hängt es ab, ob die MPIA-Campus, Kö­nigstuhl 17, D-69117 Erde getroffen wird oder nicht. Leuchte- Hei­­del­berg. Fax: 06221 528377. Didaktische Materialien: te eine einzelne Gammaquelle über die Einmal im Jahr werden unter den erfolg­­ reichen Lösern Preise verlost: siehe S. 101 www.wissenschaft-schulen.de /artikel/1051441 gesamte Sphäre so hell wie in ihren Jets, 18 Juni 2015 Sterne und Weltraum www.sterne-und-weltraum.de Juni 2015 19
