Rekord-Explosion im Weltraum erschütterte Erdatmosphäre

Der im Oktober 2022 aufgetretene Gammastrahlenausbruch GRB 221009A, der circa 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt stattfand, setzte neue Rekorde. Seine Lichtstrahlung erreichte mit einer Energie von bis zu 18 Teraelektronenvolt die Erdatmosphäre. Das entspricht einem Wert von 1.000.000.000.000 Elektronenvoll. Kürzlich stellten Wissenschaftler fest, dass diese gewaltige Explosion so intensiv war, dass sie in etwa 500 Kilometern Höhe starke Schwankungen im elektrischen Feld der Ionosphäre verursachte. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Nachweis mit Hilfe von Satellitenbeobachtungen und analytischem Modell

In der kürzlich veröffentlichten Studie ein Team um den Astrophysiker Mirko Piersanti von der Universität L’Aquila und dem Nationalen Institut für Astrophysik in Italien den Nachweis, dass durch den starken Gammastrahlenausbruch am 9. Oktober 2022 das elektrische Feld der Ionosphäre in 500 Kilometern Höhe über der Erde geschwankt hat.

Mirko Piersanti erläutert: „Mit Hilfe von Satellitenbeobachtungen und einem neu entwickelten analytischen Modell beweisen wir, dass der GRB 221009A die ionosphärische Leitfähigkeit der Erde stark beeinflusst hat und eine starke Störung nicht nur in der Ionosphäre auf der Unterseite, sondern auch in der Ionosphäre auf der Oberseite (in etwa 500 Kilometern Höhe) verursacht hat“.

Müssen wir uns wegen der Gammastrahlung Sorgen machen?

Gammastrahlen stellen den energiereichsten Bereich des elektromagnetischen Spektrums dar und übertreffen dabei die Energie von Röntgenstrahlen. Diese Photonen besitzen Milliarden bis Billionen Mal mehr Energie als jene im sichtbaren Lichtspektrum. Ihre Entstehung ist auf hochenergetische kosmische Ereignisse wie Supernovae und Hypernovae zurückzuführen, aber auch auf weniger intensive Vorgänge wie Sonneneruptionen.

Für den Alltag sind Gammastrahlen in der Regel unbedenklich, da die Erdatmosphäre sie absorbiert, bevor sie die Erdoberfläche erreichen. Aus diesem Grund benötigen wir spezielle Weltraumteleskope, um diese Strahlen zu detektieren. Dennoch können sie in großen Höhen mit der Atmosphäre interagieren.

In Ausnahmefällen haben Wissenschaftler starke Gammastrahlenausbrüche registriert, die mit der unteren Ionosphäre der Erde interagieren. Diese Ausbrüche sind ungewöhnlich stark und umfassen sowohl Gamma- als auch Röntgenstrahlen.

Was passiert in der Ionosphäre?

Die Ionosphäre ist eine ausgedehnte Schicht der Erdatmosphäre in etwa 50 bis 1000 Kilometern Höhe. Sie überlagert mehrere andere Atmosphärenschichten. Ihre Bezeichnung rührt daher, dass die intensive Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne die atmosphärischen Atome und Moleküle ionisiert, wodurch eine Vielzahl freier Elektronen entsteht.

Diese Schicht ist für die Reflexion von Radiowellen, die wir für Kommunikation und Navigation nutzen, von Bedeutung. Ereignisse wie Sonneneruptionen verursachen Veränderungen in der unteren Ionosphäre, die sich durch die unterschiedliche Reflexion sehr niederfrequenter Radiowellen aufzeichnen und analysieren lassen.

Auswirkungen mit denen einer Sonneneruption vergleichbar

Dadurch, dass niederfrequente Radiowellen reflektiert werden, konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fast sofort Veränderungen in der unteren Ionosphäre feststellen, als die Rekord-Explosion den Weltraum erschütterte. Die untere Ionosphäre befindet sich in einer Höhe zwischen 60 und 100 Kilometern über der Erdoberfläche. Laut Forschungsteam war die Explosion so stark, dass sie mit der einer Sonneneruption vergleichbar ist.

Zum Vergleich: Die Sonne ist etwa 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, das Licht von GRB 221009A legte 22,7 Sextillionen Kilometer zurück. Das zeigt recht deutlich, wie stark diese Explosion im vergangenen Herbst gewesen war.

Ionosphäre wurde 10 Stunden durchgeschüttelt

Die Auswirkungen auf die untere Ionosphäre konnten unmittelbar beobachtet werden, der Effekt von Gammastrahlenausbrüchen auf die gesamte Ionosphäre wurden bislang allerdings noch nicht untersucht. Piersanti und sein Forschungsteam wollten das ändern und versuchten daher, die Auswirkungen auf die Oberseite der Schicht zu ermitteln. Mit Hilfe von Satellitendaten gelang dies, so dass zum ersten Mal die elektromagnetischen Feldschwankungen in großer Höhe dokumentiert werden konnten.

Obwohl der Gammastrahlenausbruch nur etwa sieben Minuten andauerte, hatte er nachhaltige Auswirkungen auf die Ionosphäre: Diese hielten rund zehn Stunden an. Das Forschungsteam glaubt, dass dieses Phänomen ein tieferes Verständnis für die Auswirkungen ferner Explosionen auf die Erdatmosphäre ermöglicht. Es trage dazu bei, die Folgen solcher Ereignisse besser zu modellieren und vorherzusagen, insbesondere für den Fall, dass eine Explosion in Erdnähe stattfindet.

„Der beispiellose Photonenfluss, der mit GRB221009A in Verbindung gebracht wurde, wirkte sich stark auf die ionosphärische Leitfähigkeit der Erde aus und verursachte eine starke Störung nicht nur in der unteren Ionosphäre, wo er typischerweise mit VLF-Antennen am Boden beobachtet wird, sondern auch in der oberen Ionosphäre (in etwa 500 Kilometern),“ schreibt das Forschungsteam in seiner Studie. Das Team endet mit dem Schlusswort: „Und keiner von uns hat auch nur irgendetwas bemerkt. Ist unsere kleine schützende atmosphärische Blase nicht wunderbar?“