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TIANGONG 2
Gammablitz-Suche von der Raumstation
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Paul Scherrer Instituts
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8. August 2016

Im September soll mit Tiangong 2 die zweite chinesische Raumstation starten. An Bord wird sie auch einen Detektor namens POLAR haben, mit dem Wissenschaftler sogenannte Gamma-ray Bursts, also Gammablitze, untersuchen wollen. Sie interessieren sich dabei besonders für die Polarisation der Gammastrahlung. Diese kann nämlich viel über den Ursprung der Blitze verraten.

Gamma-ray Burst

So stellen sich Wissenschaftler einen Gamma-ray Burst vor. Die genauen Vorgänge bei diesen energiereichen Ausbrüchen sind allerdings noch Gegenstand aktueller Forschung. Bild: ESO / A. Roquette [Großansicht]

Irgendwo in den Tiefen des Alls leuchtet es mit gewaltiger Energie immer wieder auf: Sogenannte Gammablitze, oder auch Gamma-ray Bursts, lassen sich rund ein Mal pro Tag beobachten. Gammablitze senden – wie der Name sagt – Licht im hochenergetischen Bereich der Gammastrahlung aus. In wenigen Sekunden stoßen sie mehr Energie aus als die Sonne in Milliarden von Jahren. Und doch sind Gammablitze noch weitgehend unverstanden; unter anderem ist nicht geklärt, was genau ihr Ursprung ist.

Hier setzt das aktuelle Forschungsprojekt von Wojciech Hajdas und seiner Forschungsgruppe am Paul Scherrer Institut an: Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Genf und des chinesischen Instituts für Hochenergiephysik haben sie einen Detektor für Gammablitze entwickelt. POLAR heißt das Gerät; es wird den Grad der Polarisation des Lichtes von Gammablitzen vermessen. Diese Eigenschaft des Lichtes kann Hinweise liefern, welche Ereignisse im All die Ursprünge der Gammablitze sind.

Denn bislang ist nicht klar, was genau der Entstehungsmechanismus für Gammablitze ist – und ob womöglich mehrere Arten von Ursprungsereignissen in Betracht kommen. Diskutiert werden der Kollaps eines massereichen Sterns zu einem Schwarzen Loch, das Verschmelzen zweier Neutronensterne, eine spezielle Sorte Supernova und eine Reihe ähnlich energie- und massereicher Vorgänge. "Je nachdem, welchen Polarisationsgrad wir messen, lassen sich eine Reihe von Ursprungsmechanismen ausschließen", so Hajdas. "Falls das Licht der Gammablitze beispielsweise einen hohen Polarisationsgrad hat, werden wir rein thermische Ereignisse ausschliessen können."

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Licht breitet sich als Welle aus; die Polarisation ist die Auslenkungsrichtung dieser Welle. Hajdas möchte herausfinden, ob die einzelnen Lichtwellen eines Gammablitzes kreuz und quer zueinander schwingen, oder ob alle Schwingungen parallel zueinander liegen. Letzteres wäre wissenschaftlich ausgedrückt ein hoher Polarisationsgrad.

Allerdings kann POLAR die Gammablitze nicht einfach von der Erde aus detektieren: Die Luft der Erdatmosphäre verhindert genaue Messungen. Daher suchte Hajdas den Kontakt zu verschiedenen Raumfahrtmissionen. Am aufgeschlossensten für eine Zusammenarbeit zeigte sich das chinesische Institut für Hochenergiephysik. Schon lange plant die chinesische Weltraumorganisation für den Herbst den Start ihrer nächsten Raumstation Tiangong 2 - übersetzt "Himmlischer Palast 2". Nun ist klar: POLAR wird im September 2016 an Bord der Tiangong 2 in den Erdorbit fliegen und auch von dort aus Messdaten sammeln.

Daten wird POLAR genügend sammeln können, denn in der Gesamtheit des Alls ereignen sich Gammablitze häufig. Sie lassen sich aus beliebig weiten Entfernungen detektieren und damit – wegen der Reisedauer ihres Lichtes – aus den verschiedenen Epochen des Universums. "Wir erwarten, während des zweijährigen Forschungseinsatzes mehrere Dutzende sehr starker Gammablitze zu registrieren, was uns eine genaue Messung des Polarisationsgrads ermöglichen wird", so Hajdas.

Das Problem: Kein Gammablitz gleicht dem anderen. Fachleute tun sich daher schwer damit, die Gammablitze in Kategorien einzuteilen und ihren Ursprung auszumachen. Immerhin lassen sich bisher zwei grobe Gruppen ausmachen, erklärt Hajdas: Einerseits kurze Gammablitze, die nur ungefähr eine Sekunde lang leuchten, und andererseits solche, die zig Sekunden dauern – wobei die kurze Sorte öfters beobachtet wird als die länger leuchtende.

Während sich Dauer und Häufigkeit der Gammablitze schon recht gut vermessen lassen, ist ihr Polarisationsgrad bisher unbekannt. Daher erhoffen sich Hajdas und seine Kollegen, hierüber das Verständnis der Gammablitze zu erweitern. Womöglich werden sich auch bezüglich ihres Polarisationsgrades verschiedene Sorten Gammablitze einteilen lassen: Solche mit höherem und andere mit niedrigerem Polarisationsgrad, die demnach verschiedenen Entstehungsmechanismen zuzuordnen sein werden.

Das hochenergetische Licht der Gammablitze lässt sich nur indirekt detektieren. Daher besteht das Herzstückstück von POLAR aus 1600 speziellen Plastikstäben, die dicht an dicht liegen und für unsere Augen durchsichtig sind. Trifft das Licht der Gammablitze in diese Stäbe, löst es darin einen sichtbaren Lichtblitz aus - ein Prozess namens Szintillation. "Genauer gesagt müssen die Lichtteilchen vom Gammablitz auf die Elektronen in den Plastikstäben treffen. Die dadurch angeregten Moleküle des Szintillators senden daraufhin Lichtteilchen im sichtbaren Energiebereich aus", erklärt Hajdas.

Am anderen Ende der Stäbe sitzt ein Detektor für sichtbares Licht, der somit indirekt die Gammablitze nachweist. Dabei kann das Instrument auf die Polarisation des Gammablitzes zurückschließen. "Die Besonderheit unseres Detektorsystems ist, dass wir nur diejenigen Lichtteilchen der Gammablitze auswerten, die erst in einem Plastikstab ein Elektron angeregt haben und anschließend in einem zweiten Stab noch ein zweites Elektron", so Hajdas weiter. "Nur dadurch, dass wir diese zwei Datenpunkte zusammennehmen, können wir die Polarisation zuverlässig und exakt bestimmen."

Zudem ist der Öffnungswinkel von POLAR so groß, dass rund ein Drittel des gesamten Himmels abgedeckt wird. Sowohl das Konzept des Detektorsystems als auch die Elektronik wurden am PSI entwickelt. Die Signalauslesemodule und der Zentralcomputer von POLAR wurden dann am PSI hergestellt und getestet. Zusätzlich entwickelte das Team eine eigene Software für die Bearbeitung der Daten. Um POLAR vor seinem Einsatz zu kalibrieren, nutzen die Wissenschaftler die Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI sowie der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. Alle an diesem internationalen Gemeinschaftsprojekt Beteiligten testeten schließlich den fertigen Detektor gründlich.

Ereignisse wie die Entstehung Schwarzer Löcher, die als Ursprung für Gammablitze in Betracht kommen, sind mit großer Wahrscheinlichkeit zugleich der Ursprung von Gravitationswellen. Gravitationswellen wurden bereits von Albert Einstein vorhergesagt; im September 2015 konnten Wissenschaftler der internationalen LIGO-Kollaboration sie erstmals direkt nachweisen. Dieser Erfolg beflügelt Hajdas: "Mein Traum wäre es, dass POLAR einen Gammablitz detektiert und die Kollegen von LIGO zeitgleich eine weitere Gravitationswelle vermessen." Womöglich entwickelt sich dadurch eine übergreifende Zusammenarbeit in diesem noch jungen Forschungszweig.

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