Strahlung im Weltraum

Im 19. Jahrhundert stellte man fest, dass sich Licht selbst durch den leeren Raum nicht mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegt. Man nahm daher an, dass ein hypothetisches Medium namens Äther allen Raum erfüllt. In diesem Stoff sollten sich elektromagnetische Wellen wie Schallwellen ausbreiten. In Experimenten wurde aber nachgewiesen, dass es keinen Ätherwind gibt. Es konnte gezeigt werden, dass sich Lichtwellen in alle Richtungen gleichschnell fortbewegen, unabhängig von der Bewegung der Strahlungsquelle. Die Lichtgeschwindigkeit (c – von lat. celeritas=Geschwindigkeit) ist eine Konstante und stellt eine prinzipielle, nicht zu erreichende Obergrenze für die Geschwindigkeit von Körpern dar. Nichts kann sich schneller fortbewegen als das Licht.

Strahlung entspringt aus theoretischer Sicht wie Materie und deren Wechselwirkungen aus Quantenfeldern, die wie eine Art Gewebe unsere gesamte Raumzeit durchziehen. Wie alles in der Natur ist auch die elektromagnetische Strahlung nicht kontinuierlich, sondern besteht aus kleinen Paketen endlicher Länge, den Photonen*. Der Energiegehalt dieser masselosen Teilchen entspricht der Wellenlänge der Strahlung: Je höher die Energie der Teilchen, desto kürzer (bzw. höher) die Frequenz der Welle. Wenn Stahl glüht, leuchtet er dunkelrot; wenn er so heiß ist, dass er schmilzt, strahlt er fast weiß.

*Ein Photon ist masselos, elektrisch neutral und besitzt drei Merkmale: Richtung, Frequenz und Polarisierung. Es unterliegt nicht, wie auch z. B. Elektron und Positron, der Starken Kernkraft.

Licht nimmt immer die kürzeste Strecke zwischen zwei Punkten, kann jedoch von Massekonzentrationen (Gravitationsfeldern) gleichsam auf eine krumme Bahn gezwungen werden. Tatsächlich verbiegen sich also eigentlich nicht die Lichtstrahlen, wenn sie an einem schweren Objekt vorbeikommen, sondern die Verformung der Raumzeit durch die Schwerkraft bestimmt, wie sich die Photonen durch das All bewegen.

Den ersten Beweis dafür, dass Licht der Krümmung des Raums folgt, lieferte die totale Sonnenfinsternis von 1919, als die Sterne direkt neben der Sonne etwas von ihrem angestammten Platz verschoben schienen: Die Sonnenmasse hatte die Lichtstrahlen der Sterne verbogen. (Die relativistische Lichtablenkung am Rand der Erde beträgt nur 0,000575 Bogensekunden, lässt sich aber nachweisen.)

Mit Teleskopen und einer neuen Generation von Satelliten kann heute das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung von Himmelskörpern geortet werden. Die Wellenlängen reichen dabei von mehreren Kilometern bis hinunter zu Bruchteilen des Atomkerndurchmessers. Gemäß dem Energiegehalt der Photonen bzw. der Wellenlänge unterscheidet man dementsprechend verschiedene Strahlungsarten. Die Energie der Photonen in unserem Tageslicht ist dabei guter Durchschnitt.

Radiowellen: Wellenlängen von Tausenden Kilometern bis 30 Zentimeter

Radiowellen erreichen uns aus dem gesamten Weltall, sie kommen sogar von der Sonne und von Fernseh- und Rundfunksendern auf der Erde. Dabei sind die Radiowellen vom Rundfunk bis jetzt etwa 100 Lichtjahre von der Erde entfernt, Fernsehprogramme rund 70 Lichtjahre. Extrem kurze, aber energiereiche Ausbrüche von Radiowellen aus fernen Regionen des Alls bezeichnen wir als Radioblitze (Fast Radio Bursts). Hochrechnungen zeigen, dass bis zu 10 000 Radioblitze pro Tag irgendwo über uns erscheinen. Die physikalischen Vorgänge dahinter sind noch unklar. Es sind auf jeden Fall Energien notwendig, die auch z. B. bei einer durchschnittlichen Supernova-Explosion freigesetzt werden.

Mikrowellen: Wellenlängen zwischen 30 Zentimetern und 1 Millimeter

Mikrowellenstrahlung im Zentimeterbereich wird bei Radarsystemen oder in Mikrowellenherden verwendet. Auch die kosmische Hintergrundstrahlung (die älteste Strahlung, die uns erreicht*) ist eine Mikrowellenstrahlung. Ihre Wellenlänge entsprach ursprünglich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts und hat sich inzwischen mit der Ausdehnung des Raums um das 1100-fache in den Millimeterbereich gestreckt.

*Etwa 90% der primordialen (ursprünglichen) Photonen sind heute noch übrig, also bisher nicht von Gas, Staub oder Sternen absorbiert worden. 411 dieser Photonen aus der Urzeit füllen immer noch jeden Kubikzentimeter Weltraum. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung liegt heute genau bei 2,725°C (plus/minus 0,002°C) über dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C).

Infrarotstrahlen: Wellenlängen zwischen einem Millimeter und 780 Nanometern (1 nm = 1 Milliardstel Meter)

Jeder Körper gibt Infrarotstrahlen ab. Diese Wärmestrahlung durchdringt auch die dicksten Staubschichten in der Milchstraße und lässt Himmelskörper sichtbar werden, die sich vor optischen Teleskopen verstecken. Sogar der kalte interstellare Staub des Weltalls gibt sich durch die Aussendung dieser Strahlen zu erkennen.

Sichtbares Licht: Wellenlängen von 780 Nanometern bis 390 Nanometer

Nur dieser winzige Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums ist durch das menschliche Auge wahrzunehmen. Dabei interpretieren wir die jeweiligen Wellenlängen als die Farben violett bis rot.

UV-Licht: Wellenlängen zwischen 390 und 10 Nanometern

UV-Licht ist im kurzwelligen Bereich der Sonnenstrahlung enthalten. Auch die meisten anderen Fixsterne, aber auch Pulsare und hochangeregte Gasmassen senden diese Strahlung aus. Allerdings kann UV-Licht sogar in der irdischen Atmosphäre – bei Blitzen und dem sog. Elmsfeuer – entstehen.

Röntgenstrahlen: Wellenlängen von 10 bis 0,01 Nanometer

Mit dem Röntgensatteliten ROSAT wurden bereits mehr als 100 000 Röntgenquellen im All registriert. Röntgenstrahlen entstehen aber nicht nur in fernen Himmelskörpern, sondern auch in starken Magnetfeldern der solaren Atmosphäre. Im Vergleich zum sichtbaren Licht leuchtet unser Heimatstern im Röntgenbereich aber millionenfach schwächer.

Gammastrahlen: Wellenlängen kürzer als 0,03 Nanometer (oder 30 Pikometer)

Gammastrahlen sind die energiereichsten Strahlen. Sie entstehen bei einer speziellen Form der Radioaktivität, dem Gamma-Zerfall, und bei der Paarvernichtung (Annihilation), wenn Teilchen auf ihre Antiteilchen treffen und zerstrahlen. Für ihre Herkunft im Weltall gibt es verschiedene Möglichkeiten, die wahrscheinlich alle eine Rolle spielen: Supernovae, Neutronensterne, kollidierende Galaxien und gigantische Magnetfelder im Umfeld Schwarzer Löcher.

Gammastrahlen-Ausbrüche (Gamma-Bursts) erscheinen täglich in offenbar beliebigen Richtungen am Himmel. Sie stammen (fast alle) von Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien und zählen zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Innerhalb einer kurzen Zeitspanne (meist weniger als einer Minute) wird mehr Energie freigesetzt als in der Sonne in Milliarden Jahren. Dabei erzeugen Gammablitze eine Leuchtkraft vom 10¹⁹-fachen der Sonne. Sie erscheinen deshalb so hell, weil das Objekt, von dem sie stammen, seine Strahlung nicht in alle Richtungen, sondern eng gebündelt entlang der Magnetfeldachse in beide Richtungen als Jets aussendet – wie beim Scheinwerferkegel eines Leuchtturms. Nur wenn ein solcher Jet in Richtung Erde zeigt, kriegen wir etwas von dem Ausbruch mit.

Das grundlegende Rätsel, der Mechanismus für die Erzeugung dieser Gammablitze, ist bisher nicht vollständig gelöst. Eines ist aber klar: Der Gammastrahlung liegt in allen Fällen ein Prozess zu Grunde, bei dem elektrisch geladene Teilchen auf relativistische Energien beschleunigt werden – d. h. auf Werte, die viel höher sind als die Ruhemasse-Energie der Partikel.

[So weit wir wissen, sind Kollisionen von Galaxienhaufen die energiereichsten Ereignisse im Universum nach dem Urknall. Dabei prallen auch deren Gasmassen aufeinander und werden in Stoßwellen stark verdichtet und erhitzt. Allerdings dauert es bei Galaxienhaufen-Kollisionen bis zu einer Jahrmilliarde, um diese Energie freizusetzen, bei Gammastrahlenausbrüchen aber oft nur ein paar Sekunden.]

Ursprünge der Strahlungserscheinungen

Supernovae

Beim Kollaps eines Sterns, einer Supernova, driften die Trümmer aus der Sternexplosion in die rotierenden Magnetfelder, wodurch geladene Teilchen beschleunigt werden. Sie geben dabei Röntgenstrahlung ab – möglicherweise auch stoßartig Radiowellen, die auf der Erde dann als Fast Radio Bursts wahrgenommen werden. Gelegentlich entstehen beim Zusammenstoß von Elektronen und Atomkernen auch schon hochenergetische Gammastrahlen, die aber nicht sofort freigesetzt werden.

Zumindest in einigen Fällen werden zwei gebündelte Partikeljets erzeugt, die sich zunächst förmlich durch die nachstürzenden Materieschichten bohren und mit den starken Magnetfeldern wechselwirken. Dadurch werden die geladenen Teilchen auf gekrümmte Bahnen gezwungen und bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die hochenergetischen Jets breiten sich längs der Rotationsachse des kollabierten Sterns ins Universum aus. Wo sie auf umgebendes, langsamer expandierendes Gas treffen, entsteht nicht nur Röntgen-, sondern auch Gammastrahlung, was man auf der Erde als Gammastrahlenausbruch wahrnimmt.

Die Gammablitze sollen fast die gesamte Energie enthalten, die bei der Explosion entsteht. Sie strahlen so hell, dass sie über riesige Entfernungen sichtbar bleiben. Die extrem hohe Leuchtkraft ist dem radioaktiven Nickel-54 geschuldet. Während der Explosion werden mehrere Sonnenmassen des Elements synthetisiert, das dann über Kobalt-56 zu Eisen-56 zerfällt. Dabei werden im ersten Schritt Gammaquanten und Positronen und im zweiten Schritt optische Strahlung ausgesandt.

Eine erneute Stoßwelle an der Grenze zwischen dem expandierenden Feuerball und umgebendem Gas erklärt bestens, warum Gammablitze nachleuchten und ihre Strahlungsenergie sich allmählich von Gamma- zu Röntgenstrahlung, zum sichtbaren Licht und zuletzt zur Radiostrahlung verschiebt.

Neutronensterne (Pulsare)

Wenn der Kern eines Sterns bei einer Supernova kollabiert, verdichtet sich nicht nur die Materie, sondern es verdichten sich auch die Magnetfelder. In den aus kollabierten Sternen hervorgegangene Neutronensternen sind diese deshalb milliardenfach stärker als die ihrer Vorläufer. Bei Pulsaren, extrem schnelle drehenden Neutronensternen (oft mehr als 700-mal pro Sekunde), können die schwankenden elektrischen Felder im Zusammenspiel mit den starken Magnetfeldern des Pulsars schließlich zu elektromagnetischen Wellenpulsen führen, die in den Weltraum entweichen. Sie stimmen mit den bei diesen Neutronensternen beobachteten Radiowellen überein.

Quasare (Blazare)

Bei einer speziellen Klasse von Gammastrahlenquellen, den Blazaren, handelt es sich um Galaxien mit einem extrem massereichen Schwarzen Loch im Zentrum (Quasare). Wenn gewaltige Gas- und Staubmengen in dieses einstürzen, verschwindet das meiste Material in dessen Schlund, wobei die Teilchen kurz vorher noch große Mengen Energie abstrahlen. Ein Teil des Materials wird in Form von eng gebündelten Partikelstrahlen in den Raum ausgestoßen. Einige von diesen Jets erreichen sogar 20 Billionen Elektronenvolt, was der Gesamtenergie von 100 Millionen medizinischer Röntgengeräte entspricht. Neben den energiereichen Gamma- und Röntgenstrahlen geben sie auch alle Formen langwelligerer elektromagnetischer Strahlung ab: ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht sowie Radiowellen.

Hinter dem Begriff Mikroquasare verbergen sich Schwarze Löcher, die von einer Gas- und Staubscheibe umgeben sind, deren Material sie einem Nachbarstern entrissen haben. Bei den Scheiben entstehen Jets, wie man sie in größerem Maßstab von den aktiven Galaxienzentren kennt, und welche sogar hochenergetische Gammastrahlung freisetzen können.

Zusammenstöße

Beim Zusammenstoß zweier Neutronensterne setzt die freigesetzte Energie eine sog. Kilonova in Gang, welche durch einen Gammastrahlenausbruch sichtbar ist. Diese Explosion ist tausendfach heller als eine Nova, aber schwächer als eine klassische Supernova. Dabei könnten beide Sternleichen unter der Emission elektromagnetischer Strahlung und Gravitationswellen innerhalb von 10 Sekunden bis 3 Stunden zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Sie können aber auch zu einem stabilen Neutronenstern verschmelzen. Dann wird ein Teil der Materie in den umgebenden Raum geschleudert, und eine extrem heiße Explosionswolke breitet sich mit einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit im Weltall aus.

Der Zusammenstoß zweier Neutronensterne schlägt sogar Wellen im Gefüge von Raum und Zeit selbst: Es entstehen Gravitationswellen um 600 Hz. Das Raumzeitbeben währt mehrere Minuten. (Im Vergleich: Der Zusammenstoß von Schwarzen Löchern dauert nur einige Dutzend Millisekunden.) Gebündelt von den enormen Magnetfeldern im Plasma entsteht außerdem auch hier ein doppelter Teilchenstrahl, der sich durch die Trümmermasse bohrt und Gammastrahlung erzeugt.

Tatsächlich ist der Gammastrahlenausbruch bloß der Startschuss zu einem Spektakel, das über Wochen Strahlung freisetzt. Deren Wellenlänge erstreckt sich fast über das gesamte elektromagnetische Spektrum. Elf Stunden nach dem Gammablitz geht von der 8000° heißen, stetig expandierenden Wolke noch 100 Millionen Mal mehr Strahlung aus als von unserer Sonne. Später, wenn die expandierende Materiewolke auf das interstellare Medium in der Umgebung prallt, entsteht Röntgen- und Radiostrahlung.

[Der Zusammenstoß zweier Neutronensterne ist vermutlich die Hauptquelle für besonders schwere Elemente im Kosmos, wie Gold und Platin, die zu schwer sind, als dass sie wie leichtere Stoffe in Sternen erbrütet werden könnten. Sie entstehen durch eine besondere Art von Fusionsreaktion, dem sog. r-Prozess.

Unter den extremen Bedingungen der Kollision werden jede Menge Neutronen frei, von denen sehr viele innerhalb von Millisekunden von Atomkernen eingefangen werden. Unter fortdauerndem Neutroneneinfang und Betazerfall gehen immer schwerere Atomkerne hervor. Die neutronenreiche Klumpen wandeln sich zu radioaktiven Transuranen wie Einsteinium oder Fermium um und zerfallen dann zu leichteren Kernen (wie Gold), wobei energiereiche Gammastrahlung freigesetzt wird. Auf diese Weise entstehen also in der heißen expandierenden Gashülle große Mengen an schweren Elementen wie Gold und Platin.]

Magnetare

Ein aus dem Zusammenstoß hervorgegangener stabiler, massereicher Neutronenstern wird als Magnetar bezeichnet. Bei schnell rotierenden Magnetaren erreichen die Magnetfelder Werte, die dem Billiardenfachen des Erdmagnetfelds entsprechen. Geladene Teilchen werden in ihnen enorm beschleunigt und geben große Mengen an Gamma- und Röntgenstrahlung ab. Manchmal feuern sie auch für kurze Zeit Radiowellen ins All.

Typen von Gammablitzen

Gammastrahlen-Ausbrüche können über Milliarden Lichtjahre Entfernung beobachtet werden, wenn die Jets direkt auf die Erde gerichtet sind – bei schrägerem Winkel nur über kürzere Distanzen. Sie treten in verwirrender Vielfalt auf. Ihre Lichtkurven unterscheiden sich stark, manche lassen sich überhaupt nicht einordnen. Grob kann man Gammablitze in zwei Kategorien einteilen: Kurze Gammablitze, die nur einen Augenblick leben, lange Gammablitze, die deutlich länger strahlen und die Mehrheit bilden. Beide Klassen unterscheiden sich auch spektroskopisch, denn kurze Gammastrahlenausbrüche enthalten relativ mehr Gammastrahlen hoher Energie als lange.

Lange Gammablitze dauern zwischen zwei Sekunden bis mehrere Minuten, wobei vermutlich Magnetfelder eine Schlüsselrolle spielen. Sie entstehen vor allem in gigantischen Supernova-Explosionen. Brachiale Explosionen massereicher Sterne waren im frühen Universum häufig, weil es damals besonders viele Riesensterne gab, die nur sehr wenige Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium in ihrer Hülle besaßen. Offenbar können auch fusionierende Neutronensterne und schnell rotierende Magnetare lange Gammastrahlenausbrüche verursachen. Die stärksten von diesen setzen so viel Energie frei wie die Sonne während ihres ganzen Daseins. Den Gammastrahlenausbrüchen folgt ein ausgeprägtes Nachglühen in immer energieärmeren Wellenlänge.

Kurze Gammablitze sind ungefähr fünfmal so häufig wie lange, jedoch signifikant schwächer. Sie ereignen sich im Durchschnitt in einer geringeren Distanz zur Milchstraße, und sind auch in unserer Galaxie häufiger. Die kurzen Gammablitze entstehen vor allem, wenn zwei Neutronensterne oder ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch miteinander kollidieren. (s. o.) Die Materie wird dabei extrem verdichtet und erhitzt, und zwei Jets schießen in entgegengesetzte Richtung ins All hinaus. Außerdem wird ein letzter Gravitationswellenpuls abgestrahlt. Möglicherweise können einige der kurzen Gammastrahlenausbrüche auch auf Flares zurückgeführt werden, die sich auf Magnetaren in fernen Galaxien ereignen.

Inzwischen haben Astronomen einige Gammastrahlenausbrüche beobachtet, die in keine der beiden Kategorien passen: Einige sind extrem kurz, ähneln in ihrem Nachglühen aber einer Supernova. Ein 2021 detektierter Ausbruch schien dagegen mit 55 Sekunden zur langen Kategorie zu gehören; seine Merkmale entsprachen aber denen eines kurzen Gammastrahlenausbruchs. Was hinter solchen Mischformen steckt, ist noch unklar.

Gefahr für die Erde

Kosmische UV- und Röntgenstrahlung erreichen die Erdoberfläche nicht, da sie in der Lufthülle absorbiert werden. Trotzdem enthält die Atmosphäre eine Strahlung zwischen ein und zehn Bequerel (Bq) pro Kubikmeter. Diese natürliche Röntgenstrahlung wird durch Radon verursacht, einem Gas, das aus dem Zerfall des Radiums im Boden entsteht.

Astronomen beobachten durch Satelliten täglich zwei bis drei Gammastrahlenausbrüche, die aus allen Richtungen kommen. Für Sekunden überstrahlt der Blitz dann am Gamma-Himmel alle anderen Quellen. 2009 wurde ein Gammastrahlenblitz von etwa 10 Sekunden registriert, der sich vor mehr als 13 Milliarden Jahren ereignete, als das Universum erst 630 Millionen Jahre alt war. Ursache war vermutlich der Kollaps eines sehr massereichen frühen Sterns. Es war der älteste und fernste je beobachtete Gammastrahlungsblitz.

Bisweilen mischen Gammastrahlungsausbrüche auch die irdische Ionosphäre durch. Der hellste je gemessene war GRB221009, dessen Ursache eine Explosion in einer zwei Milliarden Lichtjahre von uns entfernten Galaxie war. (Theoretisch sollte nur alle 10 000 Jahre ein derart energiereicher Ausbruch in so kurzer Distanz zur Erde auftauchen.) Sieben Minuten lang flutete intensive Gammastrahlung die Erde und fegte über Asien, Afrika und Europa hinweg. Auf den Boden schaffte es die energiereiche Strahlung nicht, doch in 300 bis 500 Kilometer Höhe löste sie ein elektromagnetisches Beben aus, das mehrere Stunden messbar blieb.

Auch in der Zentralregion unserer Milchstraße haben die Forscher schon Gammastrahlen-Quellen entdeckt. Die Fachleute haben berechnet, dass die kritische „Todesdistanz“ bei mehreren tausend bis zehntausend Lichtjahren liegt. Gammastrahlenausbrüche wären womöglich auch gefährlich, wenn sie in einer nahen Nachbargalaxie der Milchstraße aufleuchteten, falls die Erde genau im Strahlungskegel liegt. In der Milchstraße soll höchstens alle 1000 Jahre mit einem solchen Ereignis zu rechnen sein.

[Terrestrische Gammablitze werden durch elektrische Entladungen in gewöhnlichen Gewitterwolken erzeugt. So werden bei einer Blitzentladung Elektronen freigesetzt, die in dem starken elektrischen Feld der Gewitterwolke auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Stoßen sie mit Luftmolekülen zusammen, werden Gammastrahlen erzeugt. Diese Gammablitze dauern höchstens einige Millisekunden (0,2 bis 3,5 Millisekunden) und können Energien von 40 MeV und mehr erreichen.

Bei tropischen Gewitterstürmen wurde neben kurzen Gammablitzen auch ein anhaltendes Gammaglühen wechselnder Intensität registriert. Diese Gammastrahlung entsteht offenbar unabhängig von den Blitzentladungen. Stattdessen scheint sie mit dem Auf- und Abströmen von Luftmassen in der Gewitterwolke verknüpft zu sein. Welcher Mechanismus genau dahinter steckt, ist jedoch ungeklärt.]

REM