Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.
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Sternengeschichten Folge 335: Gammaastronomie
“Gammastrahlung” klingt gefährlich und nach Radioaktivität. Genau dort kommt dieser Begriff auch her. Im Jahr 1900 untersuchte der französische Chemiker Paul Villard die kurz zuvor von Henri Becquerel seltsame Eigenschaft bestimmter chemischer Elemente, eine Art von Teilchenstrahlung abzugeben. Ich habe davon schon in Folge 126 der Sternengeschichten erzählt. Villard stellte fest, dass er die radioaktive Strahlung durch ein Magnetfeld ablenken konnte, dabei aber ein sehr hochenergetischer Anteil übrig blieb, der sich nicht ablenken ließ. Dieser Teil wurde später vom neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford als “Gammastrahlung” bezeichnet.
Künstlerische Darstellung der Fermi-Blasen (Bild: NASA’s Goddard Space Flight Center, gemeinfrei)
Das Compton-Teleskop wird freigesetzt (Bild: NASA/Ken Cameron, gemeinfrei)
Gammateleskop HESS in Namibia (Bild: H.E.S.S., gemeinfrei: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Ct2ct3_nah_n.jpg)
Wenn ein radioaktiver Atomkern zerfällt, kann er drei Arten von Strahlung abgeben. Die Alphastrahlung besteht dabei quasi aus Bruchstücken des Atomkerns, genauer gesagt aus zwei Protonen und zwei Neutronen die miteinander verbunden sind. Auch die Betastrahlung ist Strahlung die aus Teilchen besteht, in diesem Fall sind es Elektronen. Die von Villard entdeckte Gammastrahlung dagegen besteht nicht aus Teilchen. Die Gammastrahlung ist Licht, aber sehr hochenergetisches Licht; also Lichtwellen mit einer sehr kurzen Wellenlänge.
Sie entsteht, wenn der Kern des Atoms das gerade zerfallen ist noch ein wenig mehr Energie besitzt als er eigentlich haben sollte. Vereinfacht kann man sich das so vorstellen, dass der Kern nach dem Zerfall angeregt ist, also quasi noch ein bisschen schwingt und wackelt. Diese Energie muss er abgeben und das tut er in Form von sehr energiereichen Lichtteilchen. Deswegen ist die Gammastrahlung auch das, was Radioaktivität so gefährlich macht. Die schweren Teilchen der Alphastrahlung kann man sehr leicht blockieren; da reicht schon ein Stück Papier als Abschirmung. Bei der Betastrahlung ist ein bisschen schwerer, aber mit einem Stück Aluminiumblech von ein paar Millimeter Dicke ist man zum Beispiel schon sehr gut geschützt. Der Gammastrahlung ist das alles aber komplett egal. Die geht überall durch und ist genau die Art von Strahlung wegen der man sich mit beim Hantieren mit radioaktiven Materialien mit dicken Schichten aus Blei schützen muss.
Es soll heute aber nicht um Radioaktivität oder Strahlenschutz gehen; auch nicht um die vielfältigen medizinischen Anwendungen von Gammastrahlung. Sondern um die “Gammastronomie”. In den Jahrzehnten nach ihrer Entdeckung verstanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler immer besser, wie Radioaktivität funktioniert. Die Quantenmechanik konnte erklären, welche Vorgänge dabei ablaufen und gleichzeitg wuchs auch das Wissen über das, was am Himmel und im Inneren von Sternen vor sich geht. Man stellt fest, dass auch dort sehr viele nukleare Kernreaktionen und radioaktive Prozesse ablaufen. Bei denen ebenfalls Gammastrahlung freigesetzt wird. Es sollte also überall im Universum Gammastrahlung geben und ihre astronomische Beobachtung würde uns einen ganz neuen Blick auf den Kosmos erlauben.
Nur wie macht man das? Die Atmosphäre der Erde ist zwar nicht so dicht wie Blei, aber dafür doch ausgedehnt genug, um einen guten Schutz für radioaktive Strahlung aus dem All zu bieten. Das ist gut für uns Menschen, aber schlecht für die Gammaastronomie. Wir kriegen hier unten auf dem Erdboden nichts von der Gammastrahlung im Kosmos mit. Die Gammaastronomie musste daher auf die ersten Raketen warten und begann daher erst am 27. April 1961, als die USA den Satelliten Explorer 11 ins All schickte. Er hatte ein Gerät an Bord das speziell für die Messung von Gammastrahlung konstruiert wurde – das auch wunderbar funktionierte. Nicht ganz so gut funktioniert hat leider der Satellit selbst, er konnte nicht korrekt ausgerichtet werden und bewegte sich in einer falschen Umlaufbahn. Nur 141 Stunden lang konnte man beobachten, aber das reichte, um ein kleines bisschen der kosmischen Gammastrahlung zu messen. Nicht viel; weniger als 100 Gammalichtteilchen wurden registriert. Sie erreichten den Detektor aus allen möglichen Richtungen – es schien also so eine Art “Gammastrahlungshintergrund” zu geben. Das wäre durchaus möglich, denn Gammastrahlung sollte auch dann entstehen, wenn die Teilchen der interstellaren Gaswolken die man überall zwischen den Sternen findet mit der Strahlung der Sterne reagiert.
Die nächsten Fortschritte machten die Satelliten des “Orbiting Solar Observatory”-Programms der NASA, die in den 1960er und 1970er Jahren gestartet wurden. Mit ihnen konnte das erste Mal auch die Gammastrahlung der Sonne gemessen werden. Über die spannenden Beobachtungen der Vela-Satelliten habe ich ja schon in Folge 42 der Sternengeschichten berichtet. Die sollten Ende der 1960er und in den 1970er Jahren ja eigentlich überwachen, ob auf der Erde irgendwo unerlaubt Atombomben getestet werden. Fanden stattdessen aber extrem starke Gammastrahlung, die aus dem Universum kam. Das waren die “Gammablitze”, gewaltige Explosionen riesiger sterbender Sterne, über die ich Folge 43 mehr erzählt habe.
Das erste richtige und große Gammateleskop im All war das “Compton Gamma Ray Observatory” das am 5. April 1991 von der NASA mit dem Space Shuttle Atlantis ins All gebracht wurde. Das erste Mal konnte der ganze Himmel im Gammalicht beobachtet werden. Das Teleskop wurde im Jahr 2000 gezielt im pazifischen Ozean versenkt. Zuvor war eines der Gyroskope ausgefallen, mit dem die Position des Teleskops geregelt werden konnte. Wenn noch ein weiteres ausgefallen wäre, dann hätte das Teleskop nicht mehr gesteuert werden können, wenn ihm am Ende seines Lebens der Treibstoff ausging. Es wäre dann unkontrolliert irgendwo über der Erde abgestürzt und um das zu vermeiden hatte man es gezielt abstürzen lassen. Im Jahr 2008 flog aber schon der Nachfolger ins All: Das Fermi Gamma-ray Space Telescope.
Es hat zwei Instrumente an Bord; eines mit dem sich die Gammablitze der sterbenden Sterne messen lassen. Und ein zweites, dass die Beobachtung von schwächerer Gammastrahlung über den gesamten Himmel ermöglicht. Das Fermi-Gammateleskop hat einige sehr interessante Entdeckungen gemacht. Es fand die Überreste von Supernova-Explosionen im fernen All ebenso wie die Gammastrahlung die bei extrem starken Gewittern in der Atmosphäre der Erde frei wird. Und es entdeckte eine völlig neue Struktur in der Milchstraße. Die Galaxie in der sich unsere Sonne befindet kann man sich ja wie eine große Scheibe vorstellen, die ungefähr 100.000 Lichtjahre groß ist. Über und unter dieser Ebene existieren zwei gewaltige “Blasen” die vom Zentrum der Galaxis ausgehen. Sie reichen bis zu 25.000 Lichtjahre über bzw. unter die Scheibe, sind also insgesamt halb so groß wie die ganze Milchstraße. In dieser Region entsteht Gammastrahlung, die das Fermi-Teleskop beobachtet hat.
Könnten wir Gammastrahlen mit unseren Augen sehen, dann würde diese Fermi-Blasen den halben Himmel einnehmen. Was sie verursacht ist allerdings noch nicht ganz klar. Vermutlich hat es etwas mit dem supermassereichen schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße zu tun. Wenn Materie in seiner Nähe in das Loch fällt, wird sie dabei zuvor sehr stark beschleunigt und gibt dabei Strahlung ab. Wenn diese Strahlung mit anderer Materie wechselwirkt kann Gammastrahlung freigesetzt werden. Aber was genau passiert und wie dabei solche gewaltigen Gammastrahlenblasen entstehen können, ist noch ziemlich unklar. Wir sind ja erst seit ein paar Jahrzehnten dabei, den Himmel auch im Gammalicht zu beobachten; da ist es nicht überraschend das es noch viel gibt, das wir nicht verstehen.
Mittlerweile sind wir auch in der Lage die Gammaastronomie vom Erdboden aus durchzuführen. Nicht direkt natürlich, denn die Strahlung wird immer noch durch die Erdatmosphäre blockiert. Aber wenn Gammastrahlung auf die Lufthülle der Erde trifft, können die hochenergetischen Lichtteilchen mit den Molekülen der Luft reagieren. Bei den dort ablaufenden Reaktionen entstehen neue Teilchen, die enorm schnell sind. Sie können sogar schneller als das Licht selbst sein. Das ist nicht so außergewöhnlich wie es klingt. Denn Licht erreicht ja nur im Vakuum des Alls seine maximal mögliche Geschwindigkeit von 299.792,458 Kilometer pro Sekunde. Anderswo, zum Beispiel in der Luft, ist es ein klein wenig langsamer. Und kann von sehr schnellen Teilchen durchaus überholt werden. Und so wie es bei Überschreiten der Schallgeschwindigkeit einen Überschallknall gibt, gibt es hier auch einen vergleichbaren “Überlichtgeschwindigkeitsblitz”. Dieses helle Licht kann man sehen, aber nicht mit freiem Auge, sondern mit speziellen Teleskopen und vom Erdboden aus.
Auf den kanarischen Inseln stehen etwa die beiden MAGIC-Teleskope. Die haben nichts mit Zauberei zu tun: MAGIC steht für “Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescopes”. Die Teleskope haben keinen Spiegel aus Glas, sondern sind aus 1000 einzelnen Aluminiumplatten zusammengesetzt und haben insgesamt eine Fläche von 239 Quadratmetern.
Auch in der Wüste von Namibia stehen solche erdgebundenen Gammateleskope und die Gammastronomie ist heute ein wichtiger und unersätzlicher Teil der astronomischen Forschung. Immer dann wenn im Universum irgendwas dramatisches und gewaltiges passiert, können wir es im Gammalicht besonders gut beobachten. Explodierende Sterne zum Beispiel und auch ihre Überreste wie Neutronensterne oder schwarze Löcher zum Beispiel erzeugen Gammastrahlung. Oder gewaltige Gaswolken die aufeinanderprallen, etwa wenn ein sterbender Stern Gasschichten abstößt und mit hoher Geschwindigkeit ins All schleudert, wo sie auf interstellare Wolken treffen. Und so weiter – Gammastrahlung ist überall und kann uns vielleicht auch dabei helfen, die noch offenen Fragen der Astronomie zu beantworten. Zum Beispiel die Sache mit der dunklen Materie.
Wir wissen dass es diese seltsame Art von Materie geben muss, wie ich in Folge 25 der Sternengeschichten erklärt habe. Aber nicht, worum es sich dabei handelt. Aber wenn es sich um eine noch unentdeckte Art von Elementarteilchen handeln sollte, dann sagen die Theorien vorher, dass diese Teilchen sich bei Kollisionen gegenseitig vernichten und dabei Gammastrahlung aussenden können. Dort wo die dunkle Materie im Kosmos ist, müsste dann also auch mehr Gammastrahlung erzeugt werden als anderswo. Ob das wirklich so ist, können wir momentan aber noch nicht sagen. Dazu müssen wir noch ein wenig genauer schauen, was es im Gammalicht zu sehen gibt…
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