Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum
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Jahrbuch 2008/2009 | Greiner, Jochen; Krühler, Thomas; Savaglio, Sandra; Klose, Sylvio* | Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum Cosmic gamma-ray bursts: the brightest beacons in the Universe Greiner, Jochen; Krühler, Thomas; Savaglio, Sandra; Klose, Sylvio* Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching Korrespondierender Autor E-Mail: [email protected] Zusammenfassung Mit dem neuen 7-Kanal Imager GROND (Gamma-Ray Burst Optical Near-IR Detector) ist der bislang am w eitesten entfernte Gamma-Ray Burst (GRB) entdeckt w orden, und damit die Existenz massereicher Sterne zu Zeiten, als das Universum erst 800 Millionen Jahre alt w ar. Außerdem liefert GROND einmalige Daten zur Kurzzeit-Variabilität der GRB Afterglow s und hat damit ein mehrjähriges Rätsel zur Natur der so genannten Röntgen-Flares gelöst. Summary The hitherto most distant gamma-ray burst (GRB) w as recently discovered using the novel 7-channel imager GROND (Gamma-Ray Burst Optical Near-IR Detector), implying the existence of massive stars at an age of the universe of only 800 million years. In addition, GROND delivers unique data concerning the short-time variability of the GRB afterglow w hich allow ed to solve the mystery of the nature of the so-called X-ray flares. Gigantische Leuchtfeuer Kaum ein anderes Forschungsgebiet der Astrophysik hat in den letzten Jahren einen so gew altigen Fortschritt erlebt w ie die Erforschung der Natur der kosmischen Gamma-Ray Bursts (GRBs). Dies sind sekunden-kurze Strahlungsblitze im Gammastrahlenband. Im Moment ihres Auftretens sind sie die mit Abstand hellsten Gammaquellen am Himmel. Zuerst mit Militär-Satelliten in den 1960er-Jahren entdeckt, dauerte es 30 Jahre, bis die Astronomen ein genaueres Bild dieser Ereignisse gew innen konnten. Im Jahre 1997 entdeckte der italienisch-niederländische Satellit BeppoSAX erstmals das damals bereits theoretisch vorhergesagte Nachglühen der Materie am Ort der Explosion, den sogenannten Afterglow eines Bursts. Auch der deutsche Röntgensatellit ROSAT konnte in seinen letzten Betriebsjahren diese Afterglow s beobachten. Heute ist erw iesen: GRBs und die ihnen folgenden Afterglow s sind die leuchtkräftigsten Erscheinungen im Universum mit bis zu 10 16 facher Leuchtkraft unserer Sonne. Damit ist ein kosmisches Leuchtfeuer gefunden w orden, das alles bisher Bekannte w eit in den Schatten stellt. Selbst die Leuchtkräfte von Quasaren und Supernova-Explosionen bleiben w eit dahinter zurück. Supernovae (genauer, jene vom Typ Ia) w urden in den 1990er-Jahren als kosmische „Standardkerzen“ berühmt und haben © 2009 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 1/6 Jahrbuch 2008/2009 | Greiner, Jochen; Krühler, Thomas; Savaglio, Sandra; Klose, Sylvio* | Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum unser Bild über die Materie-Zusammensetzung des Universums um die Entdeckung der „Dunklen Energie“ bereichert. Gleichw ohl sind sie mit der bisherigen Beobachtungstechnik nur bis zu kosmologischen Entfernungen beobachtbar, die einem Alter des Universums von etw a der Hälfte des heutigen Wertes (13,7 Milliarden Jahre) entspricht. Die den Gamma-Ray Bursts folgenden optischen Afterglow s hingegen können für Minuten oder Stunden um 3 bis 4 Größenordnungen leuchtkräftiger sein als die hellsten Ia-Supernovae im Strahlungsmaximum. Sie lassen sich deshalb im Optischen bis zu kosmologischen Entfernungen beobachten, w elche einem Weltalter von w eniger als 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall entsprechen. Dies allein macht die Bursts zu einem neuen, faszinierenden W erkzeug der beobachtenden Kosmologie. Schwarze Löcher und relativistische Jets Man unterscheidet zw ei Klassen von Bursts: Solche mit kurzer (kürzer als 2 Sekunden) und solche mit langer Dauer. Nachfolgebeobachtungen der Afterglow s haben deutlich gemacht, dass die langen Bursts auf den Gravitationskollaps massereicher Sterne in fernen Galaxien zurückgehen und w ahrscheinlich mit der Entstehung stellarer Schw arzer Löcher verbunden sind. Die kurzen Bursts hingegen entstehen vermutlich durch das Verschmelzen zw eier kompakter Sterne, entw eder eines Neutronenstern-Paares oder eines Schw arzen Lochs mit einem Neutronenstern. Beiden Modellen ist gemein, dass sow ohl ein stellares Schw arzes Loch entsteht als auch ein kurzzeitiger, relativistischer, eng gebündelter Materieausfluss, der so genannte Jet, in w elchem der eigentliche GRB entsteht. Trifft dieser Jet auf das die Explosionsquelle umgebende interstellare Medium, w erden hier Elektronen auf ultra-relativistische Geschw indigkeiten beschleunigt, w elche dann ihrerseits das Afterglow -Licht als Synchrotronstrahlung vom Radio- bis in den Röntgenbereich erzeugen. Astrophysiker w eltw eit arbeiten an diversen Aspekten dieser physikalischen Prozesse um zu verstehen, w ie u. a. die Entstehung eines stellaren Schw arzen Lochs die Erzeugung relativistischer Ausflüsse bew irkt, oder w ie die kollidierenden Schocks innerhalb dieser Jets die Gammastrahlung produzieren. Eine Revolution im Verständnis der Afterglow s ist seit Ende 2004, dem Beginn der Beobachtungen des NASASatelliten Sw ift, im Gange. Sw ift misst dank eines sehr empfindlichen Detektors nicht nur eine Vielzahl von GRBs, sondern beobachtet für jeden GRB auch dessen Afterglow im Röntgen- und Ultraviolettbereich. Um diese Vielzahl an gut lokalisierten GRBs auszunutzen, w urde am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) im Jahre 2003 mit der Konstruktion und dem Bau eines speziellen Instruments für bodengebundene Nachfolgebeobachtungen begonnen: der GROND-Kamera. GROND: Die erste astronomische Sieben-Kanal-Kamera weltweit Praktisch alle astronomischen Instrumente w eltw eit, inklusive derer an allen Teleskopen der 8-10 m Klasse, arbeiten im sogenannten Imaging Modus nur in einem einzigen photometrischen Band. Die Wahl des Bandes w ird durch das Einsetzen entsprechender Filter in den Strahlengang bestimmt. Alles andere Sternlicht bleibt ungenutzt. W ill man Objekte in mehreren Bändern beobachten, um deren spektrale Energieverteilung zu rekonstruieren (die so genannten Farben), muss folglich hintereinander mit verschiedenen Filtern beobachtet w erden. Bei laufenden Kosten an den Teleskopen der 8-10 m Klasse von rund 1 € pro Sekunde Beobachtungszeit ist unmittelbar ersichtlich, w elchen Vorteil ein simultanes Imaging in mehreren photometrischen Bändern erbringen kann. Der w issenschaftliche Nutzen ist jedoch w eit größer, w eil zusätzlich zur Intensität und der räumlichen Verteilung am Himmel auch die spektrale Information all dieser Quellen gew onnen w erden kann. Dies ist die Arbeitsw eise von GROND. GROND steht für „Gamma-Ray Burst Optical Near-Infrared Detector”. Es ist eine Entw icklung des MPE Garching © 2009 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 2/6 Jahrbuch 2008/2009 | Greiner, Jochen; Krühler, Thomas; Savaglio, Sandra; Klose, Sylvio* | Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum mit w esentlichen Beiträgen der Landessternw arte Tautenburg. GROND ist permanent am seitlichen Fokus des 2,2-m-Teleskops auf La Silla, Chile, montiert und seit Sommer 2007 im regulären Beobachtungsbetrieb. Es ist w eltw eit die erste und einzige astronomische Kamera, w elche simultane Beobachtungen in sieben photometrischen Bändern erlaubt und mit diesen einen Wellenlängenbereich von 400 bis 2.300 nm überspannt. GROND benutzt optische Teilerplatten, um das Sternlicht in die sieben photometrischen Bänder aufzuteilen. Als elektronische Empfänger kommen im Optischen vier CCDs (2048x2048 Pixel) und im Infraroten drei HAW AII-1-Detektoren (1024x1024 Pixel) zum Einsatz. Weil am 2,2 m-Teleskop noch zw ei w eitere Instrumente angebracht sind, w urde ein automatisch schw enkbarer Gegenspiegel konstruiert, der innerhalb von 20 Sekunden zw ischen den Instrumenten umschalten kann. Optische Flares: GROND bestimmt die Arbeitsweise des zentralen GRB Motors Unser Verständnis der Bursts und ihrer Afterglow s hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Dies ist hauptsächlich den Messungen des Sw ift-Satelliten zu verdanken. Einerseits hat Sw ift selbst durch umfangreiche Röntgenbeobachtungen den Übergang der eigentlichen Emission im Gammaband zum Afterglow Licht vermessen. Andererseits hat Sw ift durch die Bereitstellung akkurater Himmelskoordinaten innerhalb von einer Minute nach dem Einsetzen Nachbeobachtungen erlaubt, Explosionsumgebung oder die w elche eines Bursts w esentliche chemische eine Vielzahl Erkenntnisse Zusammensetzung des von z. bodengebundenen, B. über interstellaren die schnellen Ionisation Mediums der der GRB Muttergalaxien erbracht haben. Eine große Überraschung des ersten Betriebsjahres der Sw ift-Mission w aren die unerw artet vielfältigen Variationen der Intensität der Röntgenstrahlung der Afterglow s innerhalb der ersten Stunden nach einem Burst. In den ersten Minuten zeigt diese gew öhnlich einen steilen Abfall und geht dann meist in eine Phase relativ flach abfallender Intensität über, in die sogenannte Plateau-Phase. Gelegentlich beobachtet man allerdings ein viele Minuten andauerndes Aufflackern (Röntgen-Flares), w ährend dem die Röntgenstrahlung eines Afterglow s um bis zu einem Faktor 100 emporschnellen kann. Für diese Flares gibt es fünf Erklärungsvorschläge: (1) ein so genannter Rückw ärtsschock, w ie er aus der klassischen Hydrodynamik bekannt ist, (2) Dichte-Inhomogenitäten in dem die Burstquelle in ihrer Muttergalaxie umgebenden interstellaren Medium, (3) eine räumlich inhomogene Energieverteilung in den Materie-Jets, (4) eine späte Aktivität der Burstquelle in Form von w eiteren Energie- und Materieinjektionen in den Jet, oder schließlich (5) das zeitlich verzögerte Zusammenstoßen von zu verschiedenen Zeiten ausgestoßenen Materieschalen im Jet. Bisher w ar es trotz der vierjährigen Beobachtungen mit Sw ift nicht möglich, zw ischen diesen fünf Möglichkeiten zu unterscheiden. Mit GRB 071031 (Nomenklatur: Jahr, Monat, Tag) gelang uns nun mit GROND die Gew innung eines bislang einmaligen Datensatzes, der es gestattet, diese Fragestellung erneut anzugehen und das Rätsel schließlich zu lösen. Die gew onnenen Daten bilden eine ununterbrochene Lichtkurve des Afterglow s von vier Minuten bis sieben Stunden nach dem Einsetzen des Burst simultan in sieben photometrischen Bändern – insgesamt fast 400 Datenpunkte (Abb. 1)! © 2009 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 3/6 Jahrbuch 2008/2009 | Greiner, Jochen; Krühler, Thomas; Savaglio, Sandra; Klose, Sylvio* | Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum Lichtk urve von GR B 071031 in 7 ve rschie de ne n Filte rbä nde rn, ge wonne n m it GR O ND a m 2,2m - MP G/ESO -Te le sk op a uf La Silla (C hile ). Da s Spe k trum wä hre nd de r Fla re -P ha se n unte rsche ide t sich de utlich von de m wä hre nd de s norm a le n, e x pone ntie lle n Abk lingve rha lte ns. Aus de m gle ichze itige n Auftre te n a uch im R öntge nbe re ich und de r cha ra k te ristische n Form de s Infra rot-R öntge n-Spe k trum s k onnte de r Em issionsm e cha nism us e inde utig be stim m t we rde n. © Ma x -P la nck -Institut für e x tra te rre strische P hysik / Krühle r Erstmals konnten zeitgleich zu Röntgen-Flares auch optische Flares beobachtet w erden. Sie sind dabei zeitlich und spektral sow eit aufgelöst, dass die Bestimmung des Emissionsmechanismus gelungen ist. Durch die hohe zeitliche Auflösung der GROND-Daten können die obigen Modelle (1) und (2) ausgeschlossen w erden. Durch die Vermessung der abfallenden Flanken der Flares sow ie der deutlich unterschiedlichen spektralen Energieverteilung der Flares im Vergleich zum kanonischen Afterglow -Licht können auch die Modelle (3) und (4) nicht zutreffen. Das Modell (5) bleibt nicht nur als einzige nicht zu w iderlegende Möglichkeit übrig, sondern der kombinierte Datensatz der Sw ift- und GROND-Beobachtungen w ährend der Flares entspricht genau den Voraussagen dieses Modells. Die Daten implizieren, dass das bisherige Verständnis von Gamma-Ray Bursts als „einmaliges und kurzzeitiges“ Ereignis revidiert w erden muss. Zw ar sehen w ir die Gamma-Emission als kurzzeitiges Ereignis, aber danach ist noch über Stunden hinw eg das schw ächer w erdende Stottern des „inneren Motors“ der Burstquelle beobachtbar. Interessanterw eise ist diese durch GROND-Daten favorisierte Lösung des Problems auch auf die kurzen Bursts übertragbar: Auch diese zeigen im Röntgenbereich Flares, aber sow ohl der © 2009 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 4/6 Jahrbuch 2008/2009 | Greiner, Jochen; Krühler, Thomas; Savaglio, Sandra; Klose, Sylvio* | Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum Erzeugungsmechanismus der kurzen Bursts als auch die räumliche Dichte des diese Burstquellen umgebenden Mediums dürfte von jenen der langen Bursts sehr verschieden sein. GROND misst den bisher am weitesten entfernten Gamma-Ray Burst Das konstruktive Design von GROND w urde primär mit dem w issenschaftlichen Ziel entw orfen, ein Instrument zur Verfügung zu haben, das es gestattet innerhalb von Minuten nach einem Burst seine kosmologische Rotverschiebung z aus dem Afterglow -Licht abzuschätzen. Das diesem Verfahren zugrunde liegende Prinzip w ird seit Jahren benutzt, um nach hochrotverschobenen Galaxien zu suchen. Es basiert auf der mittlerw eile achzig Jahre alten Erkenntnis von Edw in Hubble, dass die Galaxien sich umso schneller von uns entfernen, je w eiter sie von uns entfernt sind. Die Folge ist, dass die beobachteten Wellenlängen der atomaren und molekularen Übergänge (Linien) relativ zum Laborsystem um den Faktor (1+z) zu längeren Wellenlängen hin verschoben sind. Das ist der kosmologische Rotverschiebungseffekt. Dabei gilt: Je größer diese Verschiebung, je größer ist die Entfernung der Quelle vom Beobachter und je jünger ist aufgrund der endlichen Lichtgeschw indigkeit auch das Alter des Kosmos, in w elchem w ir diese Objekte beobachten. Für die Entfernungsabschätzung kosmologisch w eit entfernter Quellen spielt dabei der im Weltall w eit verbreitete interstellare und intergalaktische neutrale Wasserstoff die entscheidende Rolle. Er absorbiert nahezu alle Strahlung zw ischen einer Strahlungsquelle und dem Beobachter für Wellenlängen kleiner als die des Lyman-alpha-Übergangs bei 121,6 nm. In Verbindung mit dem Rotverschiebungseffekt hat dies zur Konsequenz, dass eine Strahlungsquelle, die bei einer Rotverschiebung z steht, unterhalb von Wellenlängen von (1+z)•121,6 nm kaum noch nachw eisbar ist. Ein Objekt mit einer Rotverschiebung von beispielsw eise z = 5 ist bei Wellenlängen kleiner 121,6•(1+z) ≈ 730 nm nicht mehr zu sehen, bei nur leicht größeren Wellenlängen ist es hingegen hell sichtbar. Wo genau diese Unstetigkeit in der beobachteten Helligkeit liegt, ist dann ein Maß für die Rotverschiebung der Quelle, die sich mit dieser Methode auf ca. 10% genau bestimmen lässt. Eine genauere Bestimmung verlangt dann eine zeitaufw ändigere Spektroskopie mit w eit größeren Teleskopen. Der Messbereich Rotverschiebungen größer als etw a von GROND ist 3,5 durch so ausgelegt, dass ihr Verschw inden in sich mindestens alle Objekte mit dem kurzw elligsten photometrischen Band von GROND bemerkbar machen. Am 13. September 2008 hat GROND seine Feuerprobe bestanden: Nur sechs Minuten nach der Entdeckung eines zunächst normal erscheinenden GRBs durch den Sw ift-Satelliten begannen die automatisch startenden GROND-Beobachtungen des Afterglow s. Außer einer schw achen Emission im rötesten der vier visuellen photometrischen Bänder von GROND w ar in den anderen visuellen Bändern nichts zu sehen, aber ein Blick auf die Nahinfrarot-Kanäle zeigte eine helle Quelle (Abb. 2). Vorbereitet auf solch ein Ereignis durch ein ausgeklügeltes Beobachtungsschema und entsprechend im Vorfeld beantragte und genehmigte Beobachtungsvorschläge w urde von uns noch in derselben Nacht das Very-Large-Telescope der Europäischen Südsternw arte (ESO) in Chile alarmiert. So konnte innerhalb nur einer Stunde nach dem Burst ein hochaufgelöstes Spektrum des Afterglow s gew onnen w erden. Dieses bestätigte die aus den GROND-Daten abgeleitete hohe Rotverschiebung: z = 6,7. Dies machte GRB 080913 nicht nur zum Burst mit der größten bisher bekannten Rotverschiebung, sondern auch zum zw eitw eitest entfernten kosmischen Objekt überhaupt, nach der 2006 von anderen Forschern berichteten Entdeckung einer Galaxie bei z = 6,96. Die GRONDBeobachtungen zeigen, dass bereits 800 Millionen Jahre nach dem Urknall massereiche Sterne existierten, die dann mit einem Gammaburst sterben. © 2009 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 5/6 Jahrbuch 2008/2009 | Greiner, Jochen; Krühler, Thomas; Savaglio, Sandra; Klose, Sylvio* | Kosmische Gammabursts – die hellsten Leuchtfeuer im Universum Schna ppschuss-Bildse que nz von GR B 080913 in de n sie be n GR O ND-Fa rbe n. De r dra m a tische He lligk e itssprung zwische n Unsichtba rk e it und sa tte r De te k tion übe r nur 3 Filte r de ute te a uf Lym a n-a lpha Absorption hin. Die spe k tra le Ene rgie ve rte ilung (unte n), m it de r Ly-Ka nte be i 940 nm , e rla ubte die Be stim m ung de r R e k ord-R otve rschie bung. © Ma x -P la nck -Institut für e x tra te rre strische P hysik / Krühle r Ausblick Unser systematisches Beobachtungsprogramm von GRB Afterglow s mit GROND soll in den kommenden Jahren konsequent w eitergeführt w erden und dabei etw a 50 Afterglow s pro Jahr beobachten. W ährend die reichhaltigen GROND-Datensätze für die Lösung w eiterer offener Probleme der GRB-Forschung ausgenutzt w erden, blicken w ir gespannt auf die zu erw artenden Fortschritte beim Aufspüren noch w eiter entfernter GRBs, um damit in bislang unerforschte Altersbereiche unseres Universums vorzustoßen. Da die GRBs mit langer Dauer w ohl von massereichen Sternen stammen, zeigt jeder noch w eiter entfernte GRB an, dass es zu diesem Zeitpunkt schon Sterne gegeben haben muss. Aus der Rotverschiebungsgrenze, bis zu der GRBs detektiert w erden, lässt sich damit unmittelbar der Zeitpunkt der ersten Sternbildung im Universum ableiten, abgesehen von der (vergleichsw eise kleinen) Unsicherheit, w ie lange Sterne in diesem frühen Stadium des Kosmos leben. W ir sind zuversichtlich, dass GROND dabei seinem w issenschaftlichen Ziel gerecht w erden w ird, Pfadfinder in das ferne/frühe Universum zu sein. * Sylvio Klose: Thüringer Landessternw arte Tautenburg Urhebervermerk: Die hier beschriebenen Ergebnisse w urden im Rahmen einer internationalen Kollaboration unter Führung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik erarbeitet und w erden in den folgenden beiden Artikeln erscheinen: T. Krühler, J. Greiner, S. McBreen et al.: Correlated Optical and X-ray Flares in the Afterglow of XRF 071031. The Astrophysical Journal, arXiv:0903.1184. J: Greiner; T. Krühler, J.P.U. Fynbo et al.: GRB 080913 at redshift 6.7. The Astrophysical Journal 693, 16101620 (2009). © 2009 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 6/6
