Wissenschaftler erforschen, wie Gamma

Jun 13, 2023

Nach der Unterzeichnung des Atomteststoppvertrags im Jahr 1963 starteten amerikanische Wissenschaftler Satelliten mit dem Ziel, die Erde auf Spitzen von Gammastrahlen zu überwachen, deren Emission ein verräterisches Zeichen für einen geheimen Atomtest ist. Die Wissenschaftler waren jedoch überrascht, als sie Gammastrahlenausbrüche nicht von der Erde, sondern aus dem Weltraum fanden.

Diese vorübergehenden Strahlungsspitzen waren nicht das Werk von Außerirdischen, die Atombomben zündeten. Sie waren die Signatur eines Gammastrahlenausbruchs, der stärksten und gefährlichsten Explosion im Universum. Diese Ereignisse sind so tödlich, dass, wenn sie sich irgendwo in der kosmischen Nähe der Erde ereigneten, der Planet sterilisiert würde. Um das Phänomen besser zu verstehen, verwenden Forscher am CERN-Labor in Europa einen leistungsstarken Teilchenbeschleuniger, um im Labor die intensiven Bedingungen nachzubilden, die einen Gammastrahlenausbruch charakterisieren.

Es wird angenommen, dass ein Gammastrahlenausbruch entsteht, wenn einem massereichen Stern der Kernbrennstoff ausgeht und sein Kern in sich zusammenfällt und ein Schwarzes Loch entsteht. Wenn der Stern kollabiert, bildet er sehr starke Magnetfelder, die verhindern, dass ein Teil der Sternmaterie in das Schwarze Loch fällt. Diese Magnetfelder leiten einen Teil dieser Materie zu den Polen des Sterns und schießen sie dann mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum.

Der von jedem Pol ausgestoßene Materialstrom wird als Jet bezeichnet, und das Material selbst ist ein heißes Plasma, das durch die extreme Erhitzung eines Gases entsteht, bei der es einige Elektronen aus seinen Atomen verliert. Zu den Jets gehören auch Gammastrahlen sowie ein intensiver Strahl aus Elektronen und Positronen (dem Antimaterie-Äquivalent von Elektronen). Die Elektronen und Positronen interagieren auf komplexe Weise mit Magnetfeldern.

Diese Plasmastrahlen sind extrem hell. In weniger als einer Sekunde produzieren sie so viel Energie, wie die Sonne in 10 Milliarden Jahren emittieren wird, und sie können aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung leicht entdeckt werden. Sie sind auch ziemlich tödlich. Einigen Theorien zufolge würde unser Planet verdampfen, wenn in einem Umkreis von etwa 200 Lichtjahren um die Erde ein Gammastrahlenausbruch auftreten würde und die Strahlen direkt auf uns gerichtet wären. In größeren Entfernungen, aber immer noch in der Milchstraße, würde die Strahlung alles Leben auf der dem Ausbruch zugewandten Seite der Erde sterilisieren.

Selbst ein Gammastrahlenausbruch aus über einer Milliarde Lichtjahren Entfernung kann die Funkkommunikation hier auf der Erde stören. Sie sind so mächtig. Glücklicherweise sind diese Ausbrüche relativ selten und Astronomen glauben nicht, dass irgendein Stern in der Nähe der Erde ein Kandidat für die Entstehung eines solchen ist. Einige Wissenschaftler glauben jedoch, dass ein Gammastrahlenausbruch für das ordovizisch-silurische Massenaussterben vor etwa 440 Millionen Jahren verantwortlich war, bei dem etwa 85 % der damaligen Arten ausstarben.

Wir können die grundlegenden Mechanismen beschreiben, die Gammastrahlenausbrüche auslösen, aber die Details bleiben ein Rätsel. Für jedes Labor ist es sehr schwierig, die notwendige Kombination chaotischer Magnetfelder in dichtem, sehr heißem Plasma wiederherzustellen. Nun sind Forscher jedoch endlich dabei, einen Blick auf diese komplizierten Bedingungen zu werfen.

Wissenschaftler des CERN-Labors in Europa haben eine Anlage geschaffen, die sie Fireball nennen. CERN ist Europas Flaggschiff-Labor für Teilchenphysik und vor allem für die Unterbringung des Large Hadron Collider bekannt, dem Teilchenbeschleuniger mit der höchsten Energie der Welt. Der Collider ist die letzte Komponente einer Reihe kleinerer Teilchenbeschleuniger. Jeder Beschleuniger erhöht die Energie eines Teilchenstrahls um einen bestimmten Betrag und gibt sie dann an den nächsten Beschleuniger in der Kette weiter. In vielerlei Hinsicht ähnelt dies den verschiedenen Gängen in einem Auto – jeder Gang ist auf eine bestimmte Geschwindigkeit abgestimmt.

Einer der Beschleuniger im Large Hadron Collider-Komplex wird Super-Protonen-Synchrotron genannt. In diesem Beschleuniger erreichen Protonen 99,9998 % der Lichtgeschwindigkeit. Diese Protonen werden dann auf ein stationäres Ziel geschossen. In einem mehrstufigen Verfahren werden sie in einen Strahl hochenergetischer Elektronen und Positronen umgewandelt. Schließlich wird dieser Elektronen-/Positronenstrahl auf einen Behälter gerichtet, in dem ein heißes Plasma entsteht. (Das ist nicht so gefährlich, wie es klingt. Schließlich enthalten Leuchtstofflampen Plasmen, ebenso wie Plasmakugeln, die man in Modegeschäften kaufen kann.)

Damit ist die Fireball-Anlage in der Lage, eine Miniaturversion der komplizierten Bedingungen zu erzeugen, die im Strahl eines Gammastrahlenausbruchs herrschen. Die Ausbreitung von Elektronen und Positronen durch ein Plasma ist genau das, was im Strahl eines Gammastrahlenausbruchs geschieht. Magnetfelder im Plasma stören den Elektronen- und Positronenstrahl, und diese Störung formt zusätzliche Magnetfelder, was die Komplexität erhöht.

Dennoch erwarten Wissenschaftler, dass der Einsatz dieser einzigartigen Ausrüstung unser Verständnis der energiereichsten Ereignisse im Kosmos verbessern wird. Wenn die Wissenschaftler ihre Ergebnisse bekannt geben, werden die größten jemals beobachteten Explosionen etwas weniger mysteriös.