Nahezu täglich flammt irgendwo am Himmel ein „Gamma Ray Burst“ auf, ein plötzlicher Ausbruch von Gammastrahlung. Die Blitze leuchten für maximal ein paar Minuten auf und verlöschen dann ebenso schnell wieder, wie sie gekommen waren. 

„Wenn ein Gamma Ray Burst explodiert, ist er in den ersten paar Sekunden heller als der Rest des Universums zusammen! Das zählt für mich zu den erstaunlichsten Dingen überhaupt – und wenn mir das jemand vor zehn Jahren gesagt hätte, hätte ich es nicht geglaubt“, berichtet Shri Kulkarni, Astronom am California Institute of Technology. 

Was explodiert da? Woher nehmen die Bursts diese selbst für die Forscher unvorstellbaren Energien? Astronomen haben zwar Ideen, aber sicher sind sie sich noch nicht. Abhilfe sollen mehr und vor allem bessere Beobachtungen der Gammablitze schaffen. Da die Erdatmosphäre die für Menschen gefährliche Gamma- und Röntgenstrahlung zum Glück nicht durchlässt, müssen die Wissenschaftler dafür auf Teleskope im Weltraum zurückgreifen. Ein kleines Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat zum Beispiel den kleinen Satelliten HETE-2 ins All geschossen.

HETE ist unter Leitung des MIT ein Gemeinschaftsprojekt etlicher Universitäten aus den USA, aus Japan und Frankreich. HETE steht für High Energy Transient Explorer, der Satellit guckt also im All nach vorübergehend aufflammenden Objekten, die energiereiche Gamma- oder Röntgenstrahlen aussenden. Normale Sterne wie unsere Sonne leuchten praktisch nicht in diesem Bereich. Im Röntgen- und erst recht im Gammalicht sehen die Astronomen nur die heißesten und sehr energiereichen Phänomene im Kosmos.

Die Röntgenweitwinkelkameras des HETE-Satelliten bestimmen die genaue Position des Gammablitzes. Sie registrieren die Röntgenstrahlung, die eine solche Explosion zwangsläufig begleitet. Nach dem eigentlichen Gammastrahlenausbruch dehnt sich die heiße Explosionswolke schnell aus und kühlt ab. Sie leuchtet dabei für einige Stunden, Tage oder Wochen auch im Röntgen-, sichtbaren und Radiolicht – Astronomen sprechen vom „Nachleuchten“. Die intensive Gammastrahlung ist nach ein paar Minuten vorbei. Also bleibt nur, das viel schwächere Nachleuchten bei anderen Wellenlängen zu untersuchen, wenn man etwas über die Gammablitze herausbekommen will.

Gammablitz oder Atombombentest?

Begonnen hatte das Rätsel der Gammablitze schon Ende der 1960er Jahre. Damals hatten US-Aufklärungssatelliten – zum Erstaunen der Militärs – die Strahlung recht vieler vermeintlicher Atombombentests gemessen. Nur fehlte jeder irdische Hinweis auf die Explosionen. So dauerte es einige Jahre, bis man sich darüber im Klaren war, dass die Gammablitze kosmisch waren – und nicht kommunistisch, wie die Zeitschrift „New Scientist“ trocken anmerkte.

„Ich bin in dieses Arbeitsgebiet am 8. Mai 1997 geraten – mit der Identifizierung des ersten Bursts, bei dem wir die Entfernung gemessen haben.“ George Djorgovski vom California Institute of Technology in Pasadena erinnert sich noch genau an diesen Tag. Der italienisch-niederländische Satellit BeppoSAX hatte für einen Gammastrahlenausbruch eine präzise Position geliefert. Damit konnten die Astronomen erstmals das Nachleuchten der Explosion genau untersuchen – erst im Röntgenlicht und dann sogar von der Erde aus mit Großteleskopen im sichtbaren Licht.

Endlich hatten die Forscher gesehen, was da im Kosmos aufblitzt. Mit einem Mal war klar, dass Gammablitze in den Tiefen des Kosmos, viele Milliarden Lichtjahre entfernt explodieren und somit unglaublich viel Energie abstrahlen müssen. Ende April 2002 ist BeppoSAX nach sechs erfolgreichen Jahren im All abgeschaltet worden. Er hat das Nachleuchten von gut fünfzig Gammastrahlenausbrüchen entdeckt.

Die Gammadetektoren von HETE schlagen nahezu täglich Alarm. Binnen Sekunden meldet der Satellit über eine der Bodenstationen die genaue Position des Gammastrahlenausbruchs an das Kontrollzentrum – und der Zentralcomputer schickt die Benachrichtigung automatisch rund um die Welt. Dann müssen die Astronomen an den Teleskopen nur noch schnell genug reagieren. Erdgebundene Großteleskope zeigen bei einigen Gammablitzen sogar die Galaxie, in der die Explosion stattfindet. Dabei stellte sich heraus, dass alle bisher untersuchten Ereignisse aus Gebieten kamen, in denen gerade viele Sterne entstehen.

Hinweise auf die Entstehung

So zeichnet sich eine erste sehr grobe Theorie ab, woher ein Gammablitz seine Energie nimmt. Vermutlich ereignen sich die Explosionen bei äußerst massereichen Sternen, also Sternen, die dreißig- bis fünfzigmal schwerer sind als unsere Sonne. So ein Stern brennt aus, stürzt in sich zusammen und verabschiedet sich mit einer gewaltigen Explosion aus seinem kurzen Leben, erklärt Roger Chevalier, Astronom an der Universität von Virginia in Charlottesville: „Die Energie kommt vom Kollabieren des Sterns. Es entsteht ein rotierendes Schwarzes Loch, um das sich eine Materiescheibe bildet. Während das meiste Gas in das Schwarze Loch stürzt, wird ein Teil des Gases rasend schnell ausgestoßen – dabei entsteht intensive Gammastrahlung. Diese Vorgänge finden in einem Gebiet von nur einigen zehn Kilometern Durchmesser statt. Ein sehr kleines Gebiet – genau im Zentrum des Sterns – produziert also diese riesige Energiemenge.“

Die meisten Forscher sind ratlos. Gebiete von den Ausmaßen einer Großstadt strahlen für ein paar Sekunden mehr Energie ab als alle anderen Objekte im Universum zusammen. Für Shri Kulkarni macht gerade das den Reiz aus. Der Astronom hat in seiner bisherigen Laufbahn alle vier bis fünf Jahre das Arbeitsgebiet gewechselt – doch den Gammablitzen ist er schon seit zehn Jahren treu. Und er denkt gar nicht ans Aufhören, zu sehr fasziniert ihn die Wucht dieser Ereignisse. „Man hat es mit sehr großen Massen und schneller Rotation zu tun – so etwas kann man nicht auf der Erde simulieren. Aber dank der astronomischen Laboratorien lernen wir trotzdem etwas über diese Dinge. Gammablitze sind sozusagen Anwendungen extremer Physik. Ich glaube, dass sich schon bald viele Physiker für Gamma Ray Bursts interessieren werden.“

Am 21. November 2001 entdeckte BeppoSAX einen Gammastrahlenausbruch im Sternbild Chamäleon, der Forscher bis heute fasziniert. Der Burst war „nur“ fünf Milliarden Lichtjahre entfernt und damit einer der nächsten, der je beobachtet wurde. Die Forscher haben im Nachleuchten schnell Spuren von Gas und Staub gefunden, typisch für sehr massereiche Sterne in ihrer Endphase. Einige Tage nach der Explosion stellten die Forscher dann fest, dass das Nachleuchten wieder heller wurde. Genau an der Stelle des Gammablitzes zeigte sich nun eine aufflammende Supernova, eine gewaltige Sternexplosion.

Gammablitz ist nicht gleich Gammablitz

Die Beobachtungen zeigen, dass dieser Gammablitz mit einem explodierenden Stern zusammenhängt. Shri Kulkarni ist begeistert, warnt allerdings zugleich davor, jetzt das Rätsel der Gamma Ray Bursts für gelöst zu erklären. Zwar scheint sich zu bestätigen, dass viele Gammablitze gewissermaßen die "Geburt" eines Schwarzen Lochs verkünden, wie Theoretiker schon länger vermuten. Aber es bleiben viele Fragen offen. Warum ist zum Beispiel nur bei einem der fünfzig Bursts, die BeppoSAX entdeckt hat, der Zusammenhang mit einer Supernova so offensichtlich? Selbst vage Hinweise auf einen massereichen, staubigen Stern als Vorgänger hat es nur in wenigen anderen Fällen gegeben.

Theoretiker, die mit all den neuen Daten etwas anfangen müssen, haben eine harte Nuss zu knacken. Das „Energieproblem“ der Gammastrahlenausbrüche lässt sich mit heutiger Physik nur verstehen, wenn sie ihre Strahlung entlang zweier Leuchtkegel abgeben – wie ein Leuchtturm. Liegt die Erde zufällig in Richtung eines Kegels, sehen wir den Gammablitz, sonst nicht. Würde die uns erreichende Strahlung rundum in alle Richtungen ausgesandt, wie bei einer Glühbirne, wäre die frei gesetzte Energiemenge noch viel größer und damit völlig unerklärlich.

Eine weitere Besonderheit von Gammastrahlenausbrüchen: Es gibt zwei verschiedene Sorten. Die einen sind sehr kurz und dauern nur etwa eine Sekunde. Die anderen sind länger und dauern mehr als zehn Sekunden. Bisher haben Forscher nur lange Gammablitze genauer untersucht – die etwas selteneren, kurzen Gammablitze konnten noch nicht genau beobachtet werden, da sich ihre Position noch nie genau bestimmen ließ.

Aus allen Winkeln des Kosmos

Als Ursache für die kurzen Bursts kommen die massereichen Sterne mit ihrer staubigen Umgebung nicht in Frage. John Heise, bei der Niederländischen Organisation für Weltraumforschung SRON für BeppoSAX zuständig, weiß aber eine Alternative: „Wenn man zwei sehr kompakte Objekte hat, die sich umkreisen – etwa ein Schwarzes Loch und einen sogenannten Neutronenstern –, dann spiralen die langsam ineinander. Wenn die schließlich zusammenstoßen gibt es ebenfalls eine gigantische Explosion sehr hoher Energie. Das wäre dann auch als Gamma Ray Burst zu sehen. Weil aber diese kompakten Himmelskörper keine Gasmassen in ihrer Umgebung haben, ist so eine Explosion viel kürzer und führt wohl zu diesem anderen Typ von Gammablitz.“

Am 31. Januar 2000 beobachteten Astronomen einen Gammablitz, der weder besonders hell noch schwach im Gammabereich strahlte. Michel Andersen, ein aus Dänemark stammender Astronom am Astrophysikalischen Institut in Potsdam, entdeckte bei genauerem Hinsehen, dass diese Explosion alles andere als gewöhnlich war: Sie fand nur knapp zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall statt – als das Universum nur etwa zehn Prozent seines heutigen Alters erreicht hatte. Mit einer Distanz von rund 13 Milliarden Lichtjahren handelt es sich um den entferntesten bisher beobachteten Gammablitz.

Mithilfe derart weit entfernter Bursts können Astronomen viel über die Bedingungen im sehr frühen Universum erfahren, zum Beispiel wie sich die chemischen Elemente gebildet haben und wie die Galaxien und die ersten Generationen von Sternen im Kosmos entstanden sind. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis sich Gammablitze mit neuen Rekordentfernungen in den Detektoren verraten.