Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

70 KAPITEL 1. GEOMETRIE
• ZUSATZ (GAMMA BURSTS)
Gamma-ray bursts (GRB) sind einmalige Ausbrüche hochenergetischer Gamma Strahlung, sie werden nach dem Datum
ihrer Registrierung katalogisiert.
Beispiel: GRB970228 ist der Ausbruch vom 28. Februar 1997.
Gamma Bursts wurden erstmals 1969 von Militärs registriert und ihre Existenz 1973 veröffentlicht. Die primären Gamma
Bursts bestehen aus Photonen mit Energien zwischen 0.1 und 1 MeV.
Der Ausbruch vom 28. Februar 1997 markiert eine erste Wende, im Versuch herauszufinden, woher die GRBs kommen.
Mithilfe des BeppoSAX wurde zunächst die dem Gamma Burst zugeordnete Röntgen Quelle entdeckt, und mit dieser
Position wurde dann das optische Gegenstück gefunden.
Zur Illustration der Leuchtkraft und Energie Verhältnisse betrachten wir den bisher energetischsten, den Gamma Burst
GRB990123, mit einer Absorptions Rotverschiebung von z = 1.6. Es
ist der letzte Eintrag in nebenstehender Tabelle.
Im optischen wäre er mit mV = 8.86 mit einfachem Feldstecher (allerdings
nur wenige Minuten lang) zu sehen gewesen. Auf die Entfernung
von 11 Gpc umgerechnet (was z = 1.6 bei 2h = 1 entspricht), sind
das im optischen Lopt = 5·10 49 erg s −1 . Dem entspricht eine optische
Leuchtkraft von mehr als Lopt = 10 16 L⊙. Das Maximum im optischen
war um 700 Sekunden zeitversetzt zum Gamma Burst. Dieser wurde
von ROTSE bereits 20 Sekunden nach dem Ausbruch im Gamma Bereich
(also noch auf dem im optischen ansteigenden Ast) entdeckt.
Im Radio konnte GRB990123 ebenfalls nachgewiesen werden. Der
Fluß betrug allerdings nur f = 2 · 10 −4 Jy bei etwa 8 GHz, was derzeit
an der Nachweisgrenze liegt.
Das Energie Maximum liegt allerdings im Gamma Bereich. Starke
Gamma Bursts wie dieser, haben Flüsse von fγ = 4 · 10 −6 erg cm −2
Daten zu optisch
identifizierten Gamma-ray bursts
Burst E−7 z E
Datum erg cm −2 erg
GRB970508 20 0.835 2 · 10 51
GRB971214 100 3.418 1 · 10 53
GRB980425 40 0.0085 7 · 10 47
GRB980703 500 0.966 1 · 10 53
GRB990123 40 1.6 4 · 10 54
Tab. 1.25: opt. GRBs
s −1 und Fluß Energien (engl. fluence) von E = f · ∆t = 3 · 10 −4 erg cm −2 . Für eine Dauer von etwa 100 Sekunden war
die Leuchtkraft bei Lγ = 2 · 10 52 erg s −1 oder Lγ = 10 19 L⊙. (Im Verhältnis zum optischen mit Lopt = 5 · 10 49 erg s −1
oder Lopt = 10 16 L⊙ ist das ein Promille). Etwa 20 Sekunden nach Ausbruch betrug Lγ sogar (etwa 5 Sekunden lang)
Lγ = 10 20 L⊙, das ist mehr als alle Galaxien des Universums im optischen ausstrahlen. Die Gesamtenergie belief sich auf
Eγ = 3 · 10 54 erg (oder auf E = 1.5M⊙c 2 ) am Ort der Quelle.
Das Nachglühen des Gamma Bursts GRB990123 wurde im Radio (bei 4.8 GHz und 15 GHz), im optischen und im Röntgen
Bereich nachgewiesen. Der mittlere Spektralindex für den Fluß, fγ ∝ ν β , zwischen Radio (ab 100 GHz), optisch und
Gamma beträgt β = −0.671.
Der GRB980425 in einer Entfernung von nur 50 Mpc (z = 0.0085) mit einer Energie von E = 7·10 47 erg ist ein Sonderfall,
wie aus der Tabelle hervorgeht.
• ZUSATZ (NACHGLÜHEN DER GAMMA BURSTS)
Die Dauer des Gamma Bursts GRB990123 ist energieabhängig. Sie betrug etwa 40 Sekunden bei der höchsten Energie, im
Kanal 320 keV bis 1.8 MeV, und 100 Sekunden im Kanal 25 bis 230 keV.
Das Nachglühen im optischen, um 700 Sekunden zeitversetzt zum Gamma Burst, kann für diesen Burst beschrieben werden
durch eine Funktion der Form
m = mo(t/to) α
; α = −1.14 ; to = 1 d ; mo = 21
• ZUSATZ (AUSFÜHRLICHE RECHNUNG ZUR KOSMOLOGIE: ENERGIE DER GAMMA BURSTS)
Die Gesamt Fluß Energie (fluence) des Gamma Pulses beträgt
E = f · ∆t = 3 · 10 −4
erg cm −2
(2 MeV cm −2 ), etwa 0.3% der optische Anteil, und der Fluß ist
fγ = 4 · 10 −6
erg cm −2 s −1
Umgerechnet auf die Entfernung
Dl = (1 + z) zc
H = 5 · 1028 (2h) −1
beträgt demnach die Leuchtkraft im Maximum
Lobs = 4πfoD 2 l = 1 · 10 53
erg s −1
cm = 11 Gpc