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Grundwissen

Gammastrahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Größenordnung der Wellenlänge: kleiner als \(10\,{\rm pm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: größer als \(3\cdot 10^{19}\,{\rm Hz}\)
  • Auftreten: radioaktiver Zerfall, Umwandlungsreaktionen von Elementarteilchen
Abb. 1 Einordnung von Röntgen- und Gammastrahlung ins elektromagnetische Spektrum

Gammastrahlung ist die energiereichste Strahlung im elektromagnetischen Spektrum und umfasst alle Wellenlängen die kleiner sind als \(30\,\rm{pm}\). Der Übergang von der Röntgenstrahlung zur Gammstrahlung ist fließend, manchmal unterschiedet man die Strahlungsarten anhand ihres Urpsrungs und nicht direkt nach ihrer Wellenlänge: Während Röntgenstrahlung durch Energieänderungen von Elektronen in der Atomhülle entstehen, entstehen Gammstrahlen bei Prozessen im Inneren des Atomkerns oder bei Umwandlungsreaktionen von Elementarteilchen, zum Beispiel wenn ein Elektron mit seinem Antiteilchen, dem Positron, zusammentrifft und in Strahlung zerfällt.

Da Gammstrahlung sehr energiereich ist, ist sie potentiell sehr gefährlich für unsere Gesundheit. Zum Glück wird die meiste Gammstrahlung, die aus dem Weltall auf die Erde trifft, wird von der Atmosphäre absorbiert.​

CC0, NASA
Abb.2 Aufnahme des Universums im Gamma-Bereich des Spektrums. Je mehr Gammastrahlung aus einer besitmmten Region gemessen wird, umso heller ist die Region dargestellt. Das Band in der Mitte ist unsere Milchstraße.

Im Weltraum gibt es viele Objekte, die Gammastrahlung aussenden (helle Bereiche in Abb. 2). Während unsere Sonne meistens kaum Gammastrahlung aussendet, kommt es manchmal zu Sonneneruptionen (sogenannten 'Flares'), bei denen einzelne Gebiete der Sonne deutlich stärkere Strahlung aussenden als sonst. Satelliten mit Gammadetektoren lassen uns ins Innere von solchen Sonnenflares blicken und zeigt uns außerdem Einzelheiten von Supernovae, Neutronensternen, Schwarzen Löchern und aktiven Galaxien, so dass wir die Möglichkeit besitzen unsere Theorien zur Entwicklung des Weltraums zu überprüfen.

NASA/National Optical Astronomy Observatory/Association of Universities for Research in Astronomy/National Science Foundation
Abb. 3 Aufnahme aus einem Ausschnitt des Krebsnebels im Gammabereich (oben links) und im sichtbaren Licht (unten rechts). Im Gamma-Bild siehst du deutlich zwei stark strahlende Objekte, sogenannte Pulsare.

Mit einem Gammadetektor sieht man diese zwei rotierenden Neutronensterne oder Pulsare als eine der hellsten Objekte am Himmel. Das obere in Abb. 3 gezeigte Bild wurde mit den Daten eines Gammadetektors am Computer erstellt. Es zeigt den Krebsnebelpulsar (unten rechts) und den Gemingapulsar (oben links) im Spektralbereich weicher Gammastrahlung. Zum Vergleich siehst du im unten rechts in Abb. 3 eine Aufnahme aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums, wo kein besonders helles Objekt heraussticht. Der Krebsnebel entstand bei einer Supernovaexplosion 1054 nach Christus deren Rest-Kern, ein alle 0,33 Sekunden blinkender Pulsar, der 1967 entdeckt wurde.

Abb. 4 Zeitlicher Verlauf eines Gammablitzes

Eine spektakuläre Beobachtung machten die Gamma- Strahlungs-Astronomen in den 70er Jahren. Detektoren am Militär-Satelliten Vela entdeckten enorme Gammaausbrüche, die aus der Tiefe des Weltalls kamen. Heute beobachtet man solche Gammablitze, deren Dauer Bruchteile einer Sekunde bis zu einer Minute dauern, etwa einmal am Tag aus nicht voraussehbaren Richtungen des Weltalls. Diese Blitze flackern auf, dominieren kurzzeitig den ganzen Gammastrahlen-Himmel und erlöschen dann wieder, wie in Abb. 4 gezeigt.

Links in Abb. 4 siehst du eine Abfolge mehrer Aufnahmen im Gammaspektrum, wo sich der Gammablitz als ein immer größer werdender heller Punkt bemerkbar macht. Im Diagramm rechts siehst du die gemessene Intensität der ankommenden Gammastrahlung gegen die Zeit aufgetragen.

Solche Blitze schicken in 10 Sekunden mehr Strahlungsenergie ins Weltall als unsere Sonne in 10 Billionen Jahren.

CC0 NASA
Abb. 5 Aufnahme des Mondes im Gamma-Bereich des Spektrums

Würden wir den Nachthimmel mit Gamma-Augen sehen, würden wir den Mond wie einen hellen unstrukturierten Fleck sehen, der heller als die Sonne erscheint, die praktisch keine harte Gammastrahlung aussendet. Das Bild wurde mit dem Gammadetektor "EGRET" vom Satelliten CGRO aufgenommen.