https://www.faz.net/-gwz-7zwsc

Neutronensterne : Verzögertes Nachglühen kollabierender Sternleichen

  • -Aktualisiert am

Ein schnell rotierendes Schwarzes Lochs: Vom Röntgenlicht hell erleuchtet ist die Materiescheibe, die das Objekt umgibt. Vom Schwarzen Loch selbst entweichen geladene Teilchen und Gammablitze. Bild: Nasa

Neutronensterne, die zu einem Schwarzen Loch verschmelzen, senden kurze Gammablitze und lang anhaltendes Röntgenlicht aus. Über die Reihenfolge der Erscheinungen wird seit langem gerätselt.

          3 Min.

          Kosmische Gammastrahlenblitze gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Innerhalb weniger Sekunden können sie mehr Energie freisetzen als die Sonne im Verlauf ihres gesamten Daseins. Entsprechend extrem müssen die Prozesse sein, die solche Ausbrüche hervorrufen. Kollidierende Neutronensterne, deren Materie verschmilzt und zu einem Schwarzen Loch kollabiert, werden schon länger als eine Quelle für Gammablitze vermutet. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam haben zahlreiche Details zutage gefördert, die zu einem besseren Verständnis über den Ursprung der energiereichen Gammastrahlung führen.

          Abhängig von ihrer Dauer unterscheiden die Astronomen zwischen mindestens zwei verschiedenen Arten von Gammablitzen. Etwa 70 Prozent der Ereignisse gehören zu den langen Gammablitzen, die - zum Teil deutlich - länger als zwei Sekunden dauern. Sie werden mit Supernovae vom Typ II in Verbindung gebracht, bei denen der Kern eines massereichen Sterns zu einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch kollabiert. Etwa jeder dritte Gammastrahlenblitz dauert dagegen höchstens zwei Sekunden, mitunter auch nur Sekundenbruchteile. Als Ursache für diese kurzen Blitze vermuten die Forscher schon länger die Verschmelzung von zwei kompakten Sternleichen, also von zwei Neutronensternen, oder die Fusion von einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch.

          Mit Computersimulationen dem Rätsel auf der Spur

          Bei diesen Szenarien bleibt jeweils ein Schwarzes Loch zurück, das zunächst noch von einer dicken Materiescheibe umgeben ist. Allerdings reicht seine geballte Schwerkraft aus, diese Scheibe innerhalb von nur einer Sekunde zu verschlucken. Wenn dabei auch noch starke Magnetfelder im Spiel sind, kann ein heftiger Gammablitz die Folge sein. Das zeigten Computersimulationen, die vor zwei Jahren in Potsdam ausgeführt wurden. Die jüngsten numerischen Modellrechnungen haben nun eine weitere Einzelheit über das Erscheinungsbild kurzer Gammablitze zutage gefördert.

          Seit einigen Jahren weiß man aus Beobachtungen, dass nach den Gammablitzen noch Röntgenstrahlung und sichtbares Licht auftreten. Der Ursprung dieses Nachglühens („Afterglow“) ist bislang allerdings rätselhaft geblieben. Schließlich kann aus einem Schwarzen Loch keine weitere Strahlung entweichen. Wie Riccardo Ciolfi und Daniel Siegel in den „Astrophysical Journal Letters“  berichten, ist es denkbar, dass die für die Aussendung der Röntgenstrahlung notwendige Energie bereits vor dem finalen Kollaps des bei der Verschmelzung entstehenden Neutronensterns freigesetzt wird, und damit vor der Emission der Gammablitze. Die Energie würde allerdings zunächst zwischengelagert.

          Röntgenlicht bremst den Neutronenstern

          Die Simulationen am Albert-Einstein-Institut zeigen, dass aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne zunächst ein metastabiles Objekt entsteht, das eigentlich zu viel Materie für den Fortbestand als Neutronenstern enthält und nur durch seine extreme Rotation stabilisiert wird. Ein solches Objekt rotiert zunächst ungleichmäßig in seinem Inneren, bis das starke Magnetfeld greift und das Objekt zu einer starren Rotation zwingt. Während dieser nur wenige Sekunden dauernden Übergangsphase verliert der Neutronenstern kurzzeitig große Materiemengen (einige Promille seiner Masse), die rasch mit etwa zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit davontreiben. Sobald das gesamte Objekt gleichmäßig und starr rotiert, reißt der Materiestrom ab. Stattdessen verliert der Neutronenstern nun Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, was seine Rotationsgeschwindigkeit rasch verlangsamt.

          Allerdings verfängt sich diese Strahlung zunächst in dem langsamer expandierenden, dichten Auswurfmaterial und provoziert dort eine Stoßwelle. Diese drückt die abgeströmte Materiewolke zu einer dünnen Schale zusammen und beschleunigt sie auf bis zu 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Beide Effekte führen zu einer Zwischenspeicherung der Energie in der nun rasch expandierenden Materiewolke. Das weitere Geschehen hängt dann von den verschiedenen Zeitskalen der einzelnen Prozesse ab, die ihrerseits von der Masse des Neutronensterns und der Stärke seines Magnetfeldes bestimmt werden.

          Die paradoxe Zeitumkehr

          Sobald die Rotationsgeschwindigkeit des kompakten Neutronensterns unter eine kritische Grenze sinkt, reichen die Fliehkrafteffekte nicht mehr, um den Stern gegen die übermächtige eigene Schwerkraft abzustützen. Er kollabiert zu einem Schwarzen Loch. Dies ist der Moment des Gammastrahlenblitzes, der sich als schmaler Doppeljet seinen Weg durch die expandierende Gaswolke brennt und so die Kunde von der Geburt des Schwarzen Loches ins Universum hinausträgt. Damit wird gleichzeitig auch der Weg frei für die Röntgenstrahlung und das sichtbare Nachglühen, die beide aus der in der expandierenden Materiehülle zwischengelagerten Energie gespeist werden. Daraus, so Ciolfi und Siegel, ergäbe sich für Beobachter der paradoxe Eindruck einer vermeintlichen Zeitumkehr: Sie sehen den finalen Gammablitz vor der Röntgenstrahlung, die eigentlich durch die vorausgegangene Abbremsung des Neutronensterns gespeist wird.

          Für die beiden Potsdamer Wissenschaftler bestünde durchaus eine Möglichkeit, diesen aus ihren Simulationen abgeleiteten Effekt durch Beobachtungen zu überprüfen. Es könnte zumindest ein deutlicher Teil der Strahlungsenergie als Röntgenstrahlung entkommen und außenstehenden Beobachtern gewissermaßen den bevorstehenden Gammablitz ankündigen. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Stoßwelle den äußeren Rand der Materiewolke erreicht, bevor der Neutronenstern so weit abgebremst wurde, dass er unter seiner eigenen Schwerkraft zu einem Schwarzen Loch kollabiert.

          Das würde allerdings ein anderes Beobachtungskonzept erfordern. Bislang hat man Gammablitze dazu genutzt, nach dem anschließenden Afterglow zu suchen und durch dessen Erforschung mehr über die Gammaquellen in Erfahrung zu bringen. Stattdessen müsste man nun herausfinden, ob an den entsprechenden Stellen am Himmel auch kurz vor dem Gammablitz bereits Röntgenstrahlung registriert wurde.

          Weitere Themen

          Asche zu Asche

          Ab in die Botanik : Asche zu Asche

          Asche ist wahrscheinlich der älteste Dünger der Welt. Ganze Ökosysteme sind darauf angewiesen, was Brände hinterlassen. Doch Gartenexperten haben Bedenken, mit Verbrennungsrückständen die Böden anzureichern. Der Grund sind Schwermetalle.

          So funktionieren FFP2-Masken Video-Seite öffnen

          Videografik : So funktionieren FFP2-Masken

          FFP2-Masken schützen in der Corona-Pandemie erwiesenermaßen besser vor einer Infektion als einfache Masken. Doch um die volle Wirksamkeit zu erreichen, müssen Träger manches beachten.

          Topmeldungen

          Abendrot über Windenergieanlagen im Windpark «Odervorland» im Landkreis Oder-Spree.

          Energiewende in Europa : Erstmals mehr Ökostrom als fossiler in der EU

          Europa steigt gleichzeitig aus Kohle, Atomkraft und Mineralöl aus. Das müssen erneuerbare Energien auffangen. Im vergangenen Jahr wurde die Stromversorgung erstmals mehr aus erneuerbaren als aus fossilen Quellen gewonnen.
           Ein Schild weist am 20.10.2008 darauf hin, dass Fußgänger links eine Treppe und Rollstuhlfahrer rechts eine Auffahrt benutzen können.

          Zusammenhalt in Corona-Zeiten : Die Schere geht auseinander

          Die Corona-Pandemie geht an keiner Familie spurlos vorüber. Für Familien mit besonderem Unterstützungsbedarf wird Teilhabe noch schwieriger zu erreichen. Viele Angebote wurden zurückgefahren. Ein Gastbeitrag.

          Quarterback Tom Brady : Der Super-Bowl-Macher

          Tom Brady, der älteste aktive Spieler der NFL, führt Tampa Bay ins Finale. Für die Buccaneers ist es das erste seit 2003 – für den überragenden Quarterback schon das zehnte. Wie hat er das geschafft?
          „Ich habe bisher alles gut weggesteckt“: Andrea Petkovic wartet in Melbourne auf das Ende der Quarantäne (Bild aus dem Sommer in Berlin).

          Andrea Petkovic im Gespräch : „Wir sind so indoktriniert“

          Auch Andrea Petkovic sitzt vor den Australian Open in Melbourne in einem Hotel in Quarantäne. Im Interview spricht sie über die neue Lust auf Tennis, ihre Lehren aus der Welt der Literatur und ihre Rolle in der exzessiven Marktwirtschaft.

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.