Sieben Stunden aus dem All: Was Gammastrahlenblitze über das Universum verraten

Einfach erklärt

Im Weltall gibt es gewaltige Explosionen, deren Licht manchmal nur Sekunden, manchmal aber auch stundenlang zu sehen ist. Sie entstehen, wenn Sterne sterben oder besonders dichte Sternreste zusammenstoßen. Solche Blitze helfen Forschenden zu verstehen, wie das Universum funktioniert und woher seltene Stoffe wie Gold kommen. Einige ungewöhnliche Beobachtungen zeigen allerdings: Noch kennen wir längst nicht alle Arten dieser Explosionen.

Blitze, die man für Atomtests hielt

Gammastrahlenblitze sind kurze, extrem energiereiche Ausbrüche im All. Sie können nur Augenblicke oder mehrere Stunden dauern. Forschende glaubten lange, die wichtigsten Ursachen zu kennen. Doch seltsame Ereignisse, die in den vergangenen Jahren beobachtet wurden, zeigen, dass die Sache komplizierter ist als gedacht. Wenn wir diese Blitze verstehen, könnte das dabei helfen zu erklären, wie Elemente wie Gold entstehen und wie sich frühe Galaxien entwickelt haben.

Weit draußen im Universum kann ein Stern in sich zusammenstürzen oder können zwei besonders dichte Sternreste miteinander kollidieren. Dabei schießen gebündelte Strahlung und Teilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit ins All. Zielt einer dieser Strahlen zufällig auf die Erde, können Weltraumteleskope einen Gammastrahlenblitz registrieren. Gammastrahlen sind so energiereich, dass das menschliche Auge sie nicht sehen kann. Ihr Aufleuchten kann jedoch das erste Anzeichen einer gewaltigen kosmischen Explosion sein. Danach leuchtet die Umgebung des Ereignisses auch in anderen Wellenlängen weiter – von Röntgenstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu Radiowellen.

Blitze, die man für Atomtests hielt

Entdeckt wurden diese Explosionen nicht mit einem Teleskop, das eigens für die Erforschung des tiefen Weltraums gebaut worden war, sondern durch ein militärisches Programm aus der Zeit des Kalten Krieges. In den 1960er-Jahren schickten die USA die Vela-Satelliten ins All, um die Erde auf Signale zu überwachen, die auf einen Atomwaffentest hindeuten könnten. Am 2. Juli 1967 registrierten zwei Satelliten ein rätselhaftes Signal. Zunächst wirkte es wie das Echo einer nuklearen Explosion. Doch sein Strahlungsmuster entsprach nicht dem, was man von einem Test auf der Erde erwartet hätte, und die Quelle schien im Weltraum zu liegen.

Bei der Auswertung der Satellitendaten fanden Forschende 16 ähnliche Ereignisse, die zwischen Juli 1969 und Juli 1972 aufgezeichnet worden waren. Zunächst blieben die Informationen geheim. 1973 wurden die Ergebnisse veröffentlicht, nachdem sichergestellt worden war, dass die Signale nicht von einem heimlichen sowjetischen Test stammten. Eine überzeugende Erklärung hatten die Forschenden damals noch nicht. Sie nannten das Phänomen Gammastrahlenblitze, auf Englisch Gamma-Ray Bursts, kurz GRBs.

Im Lauf der Jahrzehnte halfen mehrere Weltraumobservatorien dabei, Tausende solcher Ausbrüche aufzuspüren: darunter das Compton Gamma Ray Observatory der NASA, das europäische Observatorium INTEGRAL sowie später die NASA-Missionen Fermi und Swift. Die Beobachtungen zeigten, dass es sich weder um Signale von Explosionen auf der Erde noch um etwas Erfundenes handelte, sondern um natürliche Vorgänge in weit entfernten Himmelskörpern. Im Durchschnitt entdecken Teleskope heute etwa einen Gammastrahlenblitz pro Tag. Viele bleiben jedoch unbemerkt, weil ihre Strahlen nicht in unsere Richtung zeigen.

Warum ist der Blitz so gewaltig?

Die Energie einer solchen Explosion verteilt sich nicht gleichmäßig in alle Richtungen. Bei den verbreitetsten Erklärungsmodellen schießen zwei schmale, entgegengesetzt gerichtete Strahlen aus der Nähe eines Schwarzen Lochs hinaus. Sie bestehen aus extrem heißer Materie und schnellen Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Zu diesen Teilchen könnten Elektronen und Positronen gehören, möglicherweise auch Protonen. Magnetfelder helfen vermutlich dabei, die Teilchen zu bündeln und zu lenken. Meist sehen wir nur den Strahl, der zufällig in Richtung Erde zeigt.

Die Dauer der Ausbrüche ist sehr unterschiedlich. Lange teilten Forschende sie vereinfachend in zwei Gruppen ein: kurze Ereignisse von höchstens zwei Sekunden und lange, die mehrere zehn Sekunden andauern. Die kurzen Blitze wurden meist mit der Verschmelzung zweier Neutronensterne in Verbindung gebracht. Das sind kleine, extrem dichte Überreste von Sternen. Die langen Blitze galten dagegen als Folge des Kollapses eines massereichen Sterns. In beiden Fällen kann sich Materie um das neu entstandene Schwarze Loch sammeln. Das Loch zieht sie entweder in sich hinein oder schleudert einen Teil davon in den gebündelten Strahlen ins All. Wie lange diese sogenannten Jets aktiv bleiben, hängt unter anderem davon ab, wie viel Materie verfügbar ist und wie schnell sie in das Schwarze Loch stürzt.

Ein Gammastrahlenblitz kann in wenigen Sekunden so viel Energie freisetzen, wie die Sonne während ihres gesamten Lebens erzeugt. Eine andere Schätzung vergleicht seine Energie mit der von annähernd einer Million Billionen Billionen Hiroshima-Bomben. Damit sind diese Ereignisse heftiger als Supernova-Explosionen, obwohl auch Supernovae zu den energiereichsten Vorgängen im Kosmos zählen. Die gewaltigen Entfernungen schwächen allerdings die Strahlung ab, die uns erreicht. Die meisten beobachteten Blitze stammen aus Galaxien, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind.

Träfe ein gebündelter Strahl einen Planeten aus einer Entfernung von einigen tausend Lichtjahren, könnte er dessen Atmosphäre schwer schädigen. Der Physiker und Astronom Brian Thomas von der Washburn University hat untersucht, welche Folgen ein solcher Treffer für die Erde haben könnte. Die Strahlung könnte Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle aufspalten und so die Bildung von Stickoxiden fördern, die die Ozonschicht abbauen. Würde die Ozonschicht etwa ein Jahrzehnt lang geschwächt, wären Lebewesen stärker ultravioletter Strahlung ausgesetzt. Dieses Szenario ist jedoch hypothetisch und äußerst unwahrscheinlich – eine Gefahr, mit der wir im Alltag rechnen müssten, besteht nicht.

Im All entstehen Bausteine der Erde

Gammastrahlenblitze sind auch deshalb interessant, weil sie Hinweise darauf geben könnten, wie einige der Stoffe entstanden sind, aus denen unsere Welt besteht. Die ersten Sterne erzeugten durch Reaktionen in ihrem Inneren Wasserstoff, Helium und schwerere Elemente bis hin zu Eisen. Für viele noch schwerere Elemente braucht es jedoch eine Umgebung mit reichlich freien Neutronen. Atomkerne können diese Neutronen dann sehr schnell einfangen. Dieser Vorgang heißt schneller Neutroneneinfang oder r-Prozess.

Forschende gehen davon aus, dass etwa die Hälfte aller Elemente, die schwerer sind als Eisen, auf diese Weise entsteht. Dazu zählen Gold, Platin, Uran, Thorium und Jod. Die passenden Bedingungen könnten bei der Kollision zweier Neutronensterne entstehen oder bei manchen besonders heftigen Sternenkollapsen. Beobachtungen der Blitze helfen daher nicht nur, ihre Herkunft zu ermitteln. Sie könnten auch helfen, die Entstehung von Elementen nachzuvollziehen, die ganz unterschiedliche Aufgaben erfüllen: Jod wird für Schilddrüsenhormone benötigt, Uran trägt zur Wärme im Erdinneren bei, und Gold sowie Platin sind wichtige Metalle für kulturelle und industrielle Anwendungen.

Einen wichtigen Hinweis lieferte ein Ereignis im Jahr 2017. Am 17. August registrierten die US-amerikanischen LIGO-Detektoren und das italienische Virgo-Observatorium Erschütterungen der Raumzeit. Ihr Ursprung lag in der Galaxie NGC 4993, etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Hydra. Die Eigenschaften des Signals verrieten, dass zwei Neutronensterne miteinander kollidiert waren. Kurz darauf entdeckten das Fermi-Teleskop und andere Instrumente aus derselben Richtung einen Gammastrahlenblitz, der den Namen GRB 170817A erhielt.

Das Ereignis wurde von einem sogenannten Kilonova-Leuchten begleitet. Eine Kilonova entsteht, wenn neutronenreiche Materie ins All geschleudert wird – genau die Art von Materie, in der schwere Elemente entstehen können. Einer Berechnung zufolge könnte die Menge des erzeugten Goldes und Platins zusammen etwa dem Zehnfachen der Erdmasse entsprochen haben. Besonders bedeutend war die Beobachtung nicht, weil sie alle Fragen beantwortet hätte. Sie führte vielmehr Gravitationswellen, Gammastrahlen und das nachfolgende Leuchten bei einem einzigen Ereignis zusammen. Das lieferte starke Belege dafür, dass bei der Verschmelzung von Neutronensternen einige der schwersten Elemente entstehen.

Lange Blitze bringen die Einteilung durcheinander

Die bisherige Einteilung schien schlüssig – bis im Dezember 2021 ein ungewöhnlicher Ausbruch beobachtet wurde. GRB 211211A stammte aus einer Galaxie in 1,1 Milliarden Lichtjahren Entfernung und dauerte etwa 50 Sekunden. Eine solche Länge passt normalerweise zu den langen Gammastrahlenblitzen, die man mit dem Kollaps eines massereichen Sterns verbindet. Ein Team um die Astronomin Jillian Rastinejad von der University of Maryland, College Park, untersuchte das Ereignis mit Teleskopen auf Hawaii und in Arizona. Die erwarteten Anzeichen einer Supernova fanden die Forschenden jedoch nicht. Stattdessen entdeckten sie ein rötliches Leuchten, das zur Entstehung schwerer Elemente in einer Kilonova zu passen schien.

Die 2022 veröffentlichte Studie zeigte, dass das Ereignis nicht dem üblichen Muster eines massereichen Sternenkollapses folgte. Was genau geschehen war, blieb aber umstritten. Vielleicht waren zwei Neutronensterne miteinander verschmolzen. Dann stellt sich allerdings die Frage, wie ihre Überreste genügend Brennstoff für Strahlen liefern konnten, die 50 Sekunden lang anhielten. Eine mögliche Erklärung lautet, dass ein Schwarzes Loch einen begleitenden Neutronenstern zerriss. Dabei könnte viel Materie entstanden sein, die nach und nach in das Schwarze Loch fiel. Ein anderes Modell geht davon aus, dass sich um die Überreste der Verschmelzung eine große Materiescheibe bildete, die die Jets länger mit Brennstoff versorgte. Der Astrophysiker Eric Burns von der Louisiana State University brachte noch eine weitere Möglichkeit ins Spiel: Als zweiter Himmelskörper könnte ein Weißer Zwerg beteiligt gewesen sein, also der Überrest eines kleineren Sterns wie der Sonne. Ein solcher Zwerg könnte länger brauchen, um verschlungen zu werden.

2023 folgte GRB 230307A, der 200 Sekunden lang andauerte. Auch bei diesem Ereignis gab es keine deutlichen Hinweise auf eine Supernova. Astronominnen und Astronomen richteten das James-Webb-Weltraumteleskop auf die Quelle und fanden im infraroten Licht Hinweise auf Tellur. Dieses Element gehört zu den Stoffen, die mit dem r-Prozess in Verbindung gebracht werden. Die Beobachtung stärkte die Vermutung, dass Neutronensterne an dem Ereignis beteiligt waren. Sie erklärte aber nicht, wie ein derart langer Ausbruch zustande kam. Gravitationswellen hätten helfen können, die beteiligten Himmelskörper zu bestimmen. LIGO und Virgo waren zu diesem Zeitpunkt jedoch für Wartungsarbeiten außer Betrieb.

Der hellste Blitz aller Zeiten gab nicht alle Geheimnisse preis

Am 9. Oktober 2022 entdeckten Forschende ein weiteres Ereignis, das als „hellster Blitz aller Zeiten“ bekannt wurde – auf Englisch Brightest Of All Time, kurz BOAT. Es entstand in einer Entfernung von 2,4 Milliarden Lichtjahren. Als sein Strahl die Erde erreichte, waren Weltraumobservatorien für Gammastrahlen zeitweise von der Stärke des Signals überwältigt. Der Gammastrahlenstrom hielt mehr als zehn Minuten an. Außerdem beeinflusste das Ereignis die oberen Schichten der Erdatmosphäre. In Indien wurden Störungen im Funkverkehr und Veränderungen in den Messwerten von Blitzsensoren beobachtet.

Vermutlich ging der Ausbruch auf den Kollaps eines Sterns zurück, dessen Masse etwa das 30-Fache der Sonnenmasse betrug. Dabei entstand ein Schwarzes Loch. Astronominnen und Astronomen schätzten, dass ein Ereignis dieser Stärke die Erde etwa einmal in 10.000 Jahren treffen könnte. Monate nach dem Ausbruch gelang es dem James-Webb-Weltraumteleskop, die zugehörige Supernova nachzuweisen. Forschende hofften, darin Spuren schwerer Elemente zu finden, die der kollabierende Stern erzeugt haben könnte. Die Beobachtungen lieferten jedoch keinen eindeutigen Beleg für solche Elemente. Der Ausbruch löste das Rätsel um die Herkunft der schweren Elemente also nicht, sondern warf eine neue Frage auf: Erzeugen Sternenkollapse diese Elemente in geringeren Mengen als erwartet?

Sieben Stunden lang immer wieder Strahlung

Am 2. Juli 2025 registrierte das Fermi-Teleskop ein neues Ereignis: GRB 250702B. Der Blitz kam aus einer staubigen Galaxie in etwa 8 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Seine Energie wurde mit der Strahlung von 1.000 Sonnen über einen Zeitraum von 10 Milliarden Jahren verglichen. Er war zwar nicht heller als BOAT, stellte aber einen Rekord bei der Dauer auf: Mindestens sieben Stunden lang hielt er an. Außerdem schien er dreimal schwächer zu werden und dann wieder aufzuflammen.

Ein gewöhnlicher Sternenkollaps, der nur einmal abläuft, erklärt ein solches Verhalten nur schwer. Eine Idee ist, dass der Strahl taumelte und dadurch abwechselnd in unser Sichtfeld hinein- und wieder herauswanderte. Von der Erde aus hätte es dann so ausgesehen, als wäre die Strahlung erloschen und kehre anschließend zurück. Doch damit wäre die ungewöhnliche Dauer noch nicht erklärt. Wenn sich der kollabierende Stern schneller dreht, könnte Materie langsamer in das Schwarze Loch stürzen. Eine extrem schnelle Drehung könnte jedoch verhindern, dass der Stern auf die nötige Weise vollständig kollabiert. Deshalb untersuchten mehrere Teams, darunter eine von der Doktorandin Eliza Knights und Brian Thomas geleitete Gruppe, ungewöhnlichere Szenarien.

Ein Modell nimmt ein kleines Schwarzes Loch an, dessen Masse etwa dem Dreifachen der Sonnenmasse entspricht und dessen Durchmesser rund 10 Meilen beträgt. Es umkreist einen leichten Stern. Zunächst könnte das Schwarze Loch Wasserstoff aus dem Stern abgezogen und eine Heliumhülle zurückgelassen haben. Anschließend wäre es tiefer in den Stern eingedrungen und hätte begonnen, dessen Materie zu verschlingen und auseinanderzureißen. In diesem Szenario stürzt der Kern des Sterns auf das Schwarze Loch zu, während aus dessen Polen gebündelte Strahlen hervorschießen und die Sternhülle durchbohren. Der Stern könnte dadurch seinerseits als Supernova explodieren. Das ist eine mögliche Erklärung, aber noch kein gesichertes Ergebnis: Bislang ist dieses Ereignis einzigartig, und ein einziges Beispiel reicht nicht aus, um eines der Modelle zuverlässig zu bestätigen.

Fazit

Gammastrahlenblitze zeigen extreme Vorgänge im Universum, sind aber weit mehr als bloße Lichter am Himmel. Sie verraten, wie sich Materie in der Nähe Schwarzer Löcher verhält, helfen beim Testen von Erklärungen zur Entstehung schwerer Elemente und dienen als Leuchtfeuer, mit denen sich frühe Galaxien erforschen lassen. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne im Jahr 2017 bestätigte wichtige Vorstellungen. Die ungewöhnlichen Ausbrüche von 2021, 2023 und 2025 machten zugleich deutlich, dass die einfache Einteilung in kurze und lange Blitze nicht alle Beobachtungen erklärt.

Forschende stehen vor drei miteinander verknüpften Herausforderungen: Sie müssen die extreme Physik verstehen, die diese Ausbrüche antreibt, brauchen leistungsfähigere Observatorien für genauere Beobachtungen und können nur wenige dieser seltenen Ereignisse aus der Nähe untersuchen. Manche Rätsel könnten noch viele Jahre offenbleiben. Doch schon ein neuer Gammastrahlenblitz kann das bisherige Bild rasch verändern. Ereignisse, die manchmal nur Sekunden dauern und manchmal sieben Stunden lang anhalten, bieten einen seltenen Blick darauf, wie sich das Universum vor unseren Instrumenten wandelt.