Cosmic Latte   /     CL030 Gammablitze, sterbende Materie und Teilchen mit √úberlichtgeschwindigkeit

Description

Die Episode √ľber die energiereichste Strahlung im Universum und ihre Detektion: Gamma-Astronomie. Dieses Mal dreht sich alles um Gammastrahlung. Es werden explosive Ereignisse wie Hypernovae und Gammablitze untersucht und die Frage gekl√§rt, ob solche Ausbr√ľche f√ľr die Menschheit gef√§hrlich werden k√∂nnten. Ihr k√∂nnt uns gerne unterst√ľtzen und zwar bei [Steady](https://steadyhq.com/de/cosmiclatte/), [Patreon] (https://patreon.com/CosmiclattePodcast), [Paypal](https://paypal.me/cosmiclattepod)!

Subtitle
Die Episode √ľber die energiereichste Strahlung im Universum und ihre Detektion: Gamma-Astronomie
Duration
2514
Publishing date
2024-04-04 05:00
Link
https://cosmiclatte.podigee.io/30-cl030-gammablitze-sterbende-materie-und-teilchen-mit-uberlichtgeschwindigkeit
Contributors
  Eva Pech, Jana Steuer
author  
Enclosures
https://audio.podigee-cdn.net/1422220-m-ed235a0eb5b46dbb011adf328fb39764.mp3?source=feed
audio/mpeg

Shownotes

Die Episode √ľber die energiereichste Strahlung im Universum und ihre Detektion: Gamma-Astronomie

CL030 - Gammablitze, sterbende Materie und Teilchen mit √úberlichtgeschwindigkeit

Die Episode √ľber die energiereichste Strahlung im Universum und ihre Detektion: Gamma-Astronomie

Ihr k√∂nnt uns hier gerne unterst√ľtzen!

Einleitung

Nachdem sich Eva und Jana in Folge 28 unter anderem auch √ľber Radioastronomie (also das Beobachten der langwelligsten Strahlung im elektromagnetischen Spektrum) unterhalten haben, werfen sie dieses Mal einen Blick auf das andere Ende des Spektrums: die Gamma-Strahlung bzw. die Gamma-Astronomie. Hier werden explosive Ereignisse wie Hypernovae und Gammablitze untersucht und die Frage gekl√§rt, ob solche Ausbr√ľche f√ľr die Menschheit gef√§hrlich werden k√∂nnten.

News von Beteigeuze

Bevor es los geht hat Eva News von ihrem Lieblingsstern Beteigeuze, der wieder einmal f√ľr Schlagzeilen gesorgt hat: mit einem rasanten Rotationstempo von 5km/s (=18.000 km/h) dreht er sich n√§mlich viel zu schnell f√ľr einen Roten √úberriesen seiner Gr√∂√üe! Zumindest kamen Forscher*innen immer wieder zu dem Ergebnis. Ein neue Studie von Jing-Ze Ma u.a. vom Max-Planck-Institut f√ľr Astrophysik in Garching ist nun zu einer anderen Schlu√üfolgerung gekommen: Die Oberfl√§che des Sterns Beteigeuze ist von starken Konvektionsstr√∂mungen gepr√§gt, die gro√üe Blasen von auf- und absteigendem Plasma verursachen. Diese Aktivit√§t l√§sst die Oberfl√§che brodeln und kann so intensiv sein, dass die Plasmablasen einen gro√üen Teil der sichtbaren Oberfl√§che einnehmen. Die schnellen Bewegungen dieser Blasen k√∂nnen zu einer Rot- und Blauverschiebung der Radiostrahlung f√ľhren, was auf ein bipolares Geschwindigkeitsfeld hindeutet, bei dem sich ein Teil des Plasmas von uns weg und ein anderer auf uns zu bewegt. Diese Konvektionsstr√∂mungen k√∂nnten durch ein Teleskop f√§lschlicherweise als schnelle Rotation des Sterns interpretiert werden - wie Ma und seine Kolleg:innen mittels 3D-Simulationen zeigen konnten. Die tats√§chliche Rotationsgeschwindigkeit von Beteigeuze bleibt unklar. Es k√∂nnte allerdings auch sein, dass der Stern mit einem Begleitstern verschmolzen ist und daher tats√§chlich schneller rotiert als √ľblich.

Das Paper kann man hier lesen: Jing-Ze Ma et al.: Is Betelgeuse Really Rotating? Synthetic ALMA Observations of Large-scale Convection in 3D Simulations of Red Supergiants

Gammastrahlung

Gammastrahlung ist die energiereichste Form elektromagnetischer Strahlung (mit Photonen √ľber 100 keV; rund 100 000 Mal energiereicher als optisches Licht). Sie entsteht vor allem beim Zerfall radioaktiver Elemente und kann selbst durch dicke Bleiw√§nde kaum abgeschirmt werden, wobei sie das Erbgut von Zellen sch√§digen und Strahlenkrankheit ausl√∂sen kann.

Im Gegensatz dazu besteht Alphastrahlung aus Heliumkernen, die schon durch Papier blockiert werden und nur bei Einatmen oder Verzehr gefährlich sind. Betastrahlung, aus Elektronen oder Positronen bestehend, wird durch Materialien wie Glas abgeschirmt und kann bei Kontakt Verbrennungen oder Krebs verursachen.

Gammastrahlung spielte auch eine Rolle beim Unfall in Tschernobyl. Ma√ügeblich f√ľr die Strahlenbelastung ist hier der Zerfall von C√§sium-137. So wird es zusammen mit Strontium-90 f√ľr die n√§chsten paar hundert Jahre die Zone um Tschernobyl herum verseuchen.

Gammastrahlung im Universum

Im Universum gibt es neben den ber√ľhmten Gammablitzen auch noch weitere spannende Gammaquellen, unabh√§ngig vom radioaktiven Zerfall: aktive schwarze L√∂cher in Galaxienkerne (‚ÄúTodesschrei der Materie‚ÄĚ), Super- und Hypernovae (extrem energiereiche Supernovae, wird z.B. von Eta Carinae, der 100 Sonnenmassen hat, erwartet), hei√üe Gaswolken, Sonnenausbr√ľche und auch m√∂glicherweise die Annihilation von Dunkler Materie. Mit dem Begriff der kosmischen Strahlung hingegen sind meistens hochenergetische Teilchen gemeint und keine elektromagnetische Strahlung.

Die Beobachtung von Objekten in unterschiedlichen Wellenlängen bringt viele Vorteile und einen erheblichen Erkenntnisgewinn, wie hier am Beispiel vom Krebsnebel sehr anschaulich zu sehen ist.

Bild: CC-BY-SA 3.0, Hunster, NASA, NRAO/AUI, JPL, ESA

Wir sind auf der Erde gut gegen die sch√§dliche hochenergetische Strahlung durch die Atmosph√§re gesch√ľtzt. Das macht es aber auch schwierig, Gammastrahlen aus dem Kosmos zu beobachten, denn unsere Luftschicht schluckt sie praktisch komplett. Die ersten Gammastrahlen aus dem Kosmos wurden in den 1960ern mit dem Satelliten Explorer 11 der USA (entwickelt unter der Leitung von Wernher von Braun) beobachtet.

Die meisten Weltall-Teleskope sind allerdings auf andere Wellenl√§ngenbereiche spezialisiert, wie Infrarot oder optisches Licht. Das liegt daran, dass Gammastrahlen durch ihre extrem hohe Energie schwierig zu detektieren sind. Es braucht gesonderte Instrumente mit sehr hoher Energieaufl√∂sung. Das Fermi Gamma Ray Space Telescope der NASA ist seit 2008 im Einsatz und ein Beispiel f√ľr einen direkten Gammastrahlen-Detektor im Weltall. Es kann Strahlung bis zu 300 GeV beobachten.

Die stärksten jemals beobachteten Gammablitze können allerdings Energien bis zu mindestens 1 TeV erreichen. Das ist etwa eine Billion mal mehr Energie als bei Photonen im optischen Bereich. Gerade am oberen Ende kommen die direkten Detektoren an ihre Grenzen. Wie konnte man also trotzdem solche Energien beobachten?

Es gibt einen Trick: die blaue Tscherenkow-Strahlung kommt uns hier zur Hilfe!

Tscherenkow-Strahlung und -Teleskope

Licht verlangsamt sich in Medien wie Luft oder Wasser gegen√ľber seiner Vakuumgeschwindigkeit von 300.000 km/s, im Wasser sogar um 25%.

Dies liegt an der Wechselwirkung der Photonen mit den Molek√ľlen des Mediums, wobei Energie absorbiert und wieder emittiert wird. Die elektrischen und magnetischen Felder des Lichts interagieren mit denen der Molek√ľle, was den Lichtdurchgang erschwert.

Bei √úberlichtgeschwindigkeit eines geladenen Teilchens im Medium entsteht Tscherenkow-Strahlung durch konstruktive Interferenz der emittierten Lichtwellen. Diese entsteht also, wenn sich sehr energiereiche geladene Teilchen in einem Medium mit dortiger √úberlichtgeschwindigkeit bewegen (nat√ľrlich kann sich nichts schneller als das Licht im Vakuum bewegen, aber schneller als Licht in bestimmten Medien eben schon). Z.B. kommt sie vor in AKWs, wo Wasser als Moderator dient und hochenergetischen Elektronen der Kernspaltung rumrasen.

Aber was hat das nun mit Gammablitzen im Kosmos zu tun?

Gammastrahlen aus dem Kosmos treffen auf die Erdatmosph√§re und werden dort absorbiert. Dabei entstehen schnelle, geladene Sekund√§rteilchen, die sich schneller als Licht durch die Atmosph√§re bewegen und Tscherenkow-Strahlung ausl√∂sen. Diese erm√∂glicht es, kosmische Gammastrahlenausbr√ľche indirekt zu beobachten und R√ľckschl√ľsse auf deren Ursprung zu ziehen. Das MAGIC Teleskop auf La Palma hat so den starken Gammablitz GRB 190114C mit einer Energie von 1 TeV beobachtet. Zuk√ľnftig soll das Cherenkov Telescope Array (CTA) in Spanien und Chile diese Forschung weiterf√ľhren.

Gammablitze und ihre Entstehung

In den letzten 50 Jahren haben Teleskope unser Wissen √ľber die Entstehung von Gammablitzen erweitert: besonders massereiche Sterne √ľber 20 Sonnenmassen (oder zwei kollidierende Neutronensterne) kollabieren bei ihrem Tod zu einem schwarzen Loch, das schnell rotiert. Das umgebende Gas formt eine Akkretionsscheibe um das schwarze Loch und heizt sich durch die Reibung stark auf. Sie gewinnen so viel Energie, dass Gasjets ausgesto√üen werden. Dort werden die Teilchen so enorm beschleunigt, dass sie zu Gammastrahlung werden: ein Gammablitz entsteht.

Obwohl Gammablitze bislang nur in fernen Galaxien beobachtet wurden, k√∂nnte ein naher Gammablitz die Erde theoretisch sterilisieren. Es wird spekuliert, dass solche Ereignisse massives Aussterben verursachen und die Bewohnbarkeit im Universum einschr√§nken k√∂nnten. Zum Gl√ľck sind die t√§glichen Gammablitze, von denen die Erde getroffen wird, zu weit entfernt, um Schaden anzurichten.

Mehr dazu kann man in "Gammablitze: Tödliches Licht explodierender Sterne" auf Spektrum.de lesen.

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