Im September 2016 war das Gerät an Bord der jüngsten chinesischen Raumstation in den Orbit der Erde befördert worden. Von dort hat POLAR sogenannte Gammablitze, die in grosser Ferne im Universum aufblitzen, aufgenommen. Die Blitze sind Ausbrüche extrem energiereichen Lichtes, die jedoch Forschenden noch immer ein grosses Rätsel sind.

Unter anderem ist nicht geklärt, was ihr Ursprung ist; womöglich werden die Lichtblitze bei der Entstehung Schwarzer Löcher ausgesandt. Um Gammablitze besser zu verstehen, vermass POLAR eine bestimmte Eigenschaft ihres Lichtes: die sogenannte Polarisation. Den Forschenden gelang die Aufnahme von mehreren Dutzend Gammablitzen, von denen sie nun fünf genau ausgewertet haben.

Dabei zeigte sich: Das Licht der Gammablitze hat einen niedrigen Polarisationsgrad. Demnach können nun diejenigen Theorien zu Gammablitzen, die von einem hohen Polarisationsgrad ausgehen, als weniger wahrscheinlich gelten. POLAR wurde gemeinsam mit Forschenden der Universität Genf sowie mit Wissenschaftlern in China und Polen realisiert. Ihre Auswertung der fünf Gammablitze veröffentlichten die Forschenden nun in der Fachzeitschrift «Nature Astronomy».

Niedrige Polarisation

Sie leuchten in weiter Ferne kurz und extrem hell auf: Rund ein Mal pro Tag können Forschende sogenannte Gammablitze aus den Tiefen des Alls beobachten. Die Lichtblitze geschehen dabei – daher der Name – im hochenergetischen Bereich der Gammastrahlung. Sie stossen dabei in wenigen Sekunden mehr Energie aus als die Sonne in Milliarden von Jahren. Was jedoch ihr Ursprung ist, ist bislang noch weitgehend unklar.

Um in dieser Frage weiterzukommen, hat ein internationales Team von Forschenden nun eine bestimmte Eigenschaft dieser Lichtblitze vermessen: ihren Polarisationsgrad. Licht breitet sich als Wellen aus; der Polarisationsgrad gibt an, ob die Lichtwellen einer Quelle parallel zueinander schwingen – dies wäre ein hoher Polarisationsgrad – oder ob sie kreuz und quer zueinander schwingen – dann wäre dieser Wert gering.

Die nun veröffentlichten Ergebnisse der Forschenden zeigen: Gammablitze haben einen vergleichsweise niedrigen Polarisationsgrad. Zudem beobachteten die Forschenden Hinweise auf eine Veränderung des Polarisationswinkels – also der Ausrichtung dieser geringen Polarisation – über den Verlauf einzelner Gammablitze hinweg.

Die verschiedenen bisherigen Theorien zur Entstehung von Gammablitzen führen zur Vorhersage verschieden hoher Polarisationsgrade. Dabei kommen als Ursprung eines Gammablitzes unter anderem der Kollaps eines massereichen Sterns zu einem Schwarzen Loch in Betracht, das Verschmelzen zweier Neutronensterne, eine spezielle Sorte Supernova und eine Reihe ähnlich energie- und massereicher Vorgänge. «Dank unserer Daten werden sich wohl manche dieser Theorien zu den Ursprungsmechanismen ausschliessen lassen», so Wojciech Hajdas vom Paul Scherrer Institut PSI, der massgeblich an der Entwicklung des Instruments POLAR beteiligt war, das die neuen Messdaten geliefert hat.

Eigene Software entwickelt

POLAR ist ein hochmoderner Detektor, den PSI-Forschende um Hajdas gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Genf und des chinesischen Instituts für Hochenergiephysik (Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, IHEP-CAS) entwickelt hatten. Im September 2016 war das Gerät an Bord der jüngsten chinesischen Raumstation – der «Tiangong 2» – in den Orbit der Erde befördert worden. Von dort aus hatte POLAR Daten gesammelt, indem das Licht der Gammablitze mittels 1600 spezieller Kunststoffstäbe aufgefangen, weitergeleitet und analysiert wurde. Der Flug ins All war entscheidend für das Projekt, denn vom Erdboden aus verhindert die Erdatmosphäre eine genaue Messung des Polarisationsgrades.

Sowohl das Konzept des POLAR-Detektorsystems als auch die Elektronik wurden massgeblich am PSI entwickelt. Die Signalauslesemodule und der Zentralcomputer von POLAR wurden hier hergestellt und getestet. Zusätzlich entwickelten die Forschenden eine eigene Software für die Bearbeitung der Daten. Um POLAR vor seinem Einsatz zu kalibrieren, nutzten die Wissenschaftler die Röntgenstrahlung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI sowie der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble.

Insgesamt konnte POLAR mehrere Dutzend Ereignisse registrieren, von denen das internationale Forschungsteam nun die fünf aussagekräftigsten Gammablitze ausgewertet hat. Auf der virtuellen Plattform PSI POLAR Data Center stellen die PSI-Forschenden zudem die Daten aller registrierten Ereignisse der Forschungsgemeinde zur Verfügung. Da etliche der von POLAR vermessenen Gammablitze zusätzlich von weiteren Detektoren weltweit beobachtet wurden, dient die Plattform unter anderem dazu, dass Forschende hier ihre jeweiligen Datensätze abgleichen. (AZ)