Kurz nachdem die Raumfähre Atlantis 1991 ein neues Weltraumteleskop in eine Erdumlaufbahn gebracht hatte, machte Gerald Fishman vom Marshall Space Flight Center der NASA eine merkwürdige Entdeckung. Das Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) sollte eigentlich Gammablitze von entfernten astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen, Schwarzen Löchern und Supernova-Überresten aufzeichnen. Das tat es zwar – darüber hinaus registrierte es aber auch Gammasignale, die nicht aus dem Weltall, sondern von der Erde stammten.

Für Astrophysiker war Gammastrahlung schon damals nichts Ungewöhnliches. Sie wussten: Elektronen und andere Teilchen im All können etwa durch Sternexplosionen auf so hohe Energien beschleunigt werden, dass sie bei der Kollision mit einem Atomkern energiereiche Strahlung aussenden. Wie aber sollen Teilchen in der Erdatmosphäre derart hohe Energien erreichen? Zumal sie hier ständig mit Atomen und Molekülen kollidieren, während sich ihre kosmischen Pendants praktisch ungebremst durch ein fast perfektes Vakuum bewegen.

Seither stellen die so genannten terrestrischen Gammablitze Forscher vor immer neue Rätsel. Die ersten Daten ließen uns und andere Wissenschaftler zunächst annehmen, sie entstünden rund 65 Kilometer oberhalb der Wolken. Heute, nach vielen Messungen und theoretischen Überlegungen, wissen wir jedoch, dass sie durch elektrische Entladungen in gewöhnlichen Gewitterwolken erzeugt werden – also in viel geringerer Höhe. Allmählich stellte sich auch heraus, dass die Energie der atmosphärischen Gammastrahlung viel höhere Werte erreichte, als man für möglich gehalten hatte. Die Theoretiker hatten daher in der Zwischenzeit alle Hände voll zu tun, immer neue Beobachtungsdaten in ihre Modelle zu integrieren.

Ursprünglich vermuteten Forscher, Gammablitze könnten mit einem anderen atmosphärischen Phänomen verwandt sein, den Kobolden. 1989 hatte man begonnen, diese kurz und hell aufflackernden Leuchterscheinungen von Flugzeugen und Spaceshuttles aus gezielt zu fotografieren. Die Bilder zeigten rötliche Gebilde in 80 Kilometer Höhe über dem Erdboden, die sich über mehrere Kilometer erstreckten und wie riesige Quallen erschienen. Da diese gewaltigen elektrischen Entladungen fast an der Grenze zum Weltraum auftreten, schien es plausibel, dass von ihnen Gammastrahlung ausgeht, die ein Satellit in einer Umlaufbahn würde messen können.

Elektrische Felder erzeugen Elektronenlawinen

Kobolde gelten als Begleiterscheinungen gewöhnlicher Blitze, die in weit darunter liegenden Wolken entstehen. Bei einem Blitz, der durch ein drastisches Ungleichgewicht elektrischer Ladungen ausgelöst wird, öffnet sich vorübergehend ein elektrisch leitender Kanal in der sonst elektrisch isolierenden Luft. Durch den Blitzstrahl werden die Ladungsträger dann in rasender Geschwindigkeit von einer Region der Atmosphäre zu einer anderen oder zur Erdoberfläche transportiert.

Die an dem Vorgang beteiligten elektrischen Feldstärken erreichen Werte von mehr als 100 Millionen Volt pro Meter. Anschließend ist das elektrostatische Gleichgewicht zumindest teilweise wieder hergestellt. Doch wie bei einem Teppich, der an einer Stelle glatt gezogen wird, nur um anderswo eine neue Falte zu werfen, führt der Ladungsausgleich innerhalb einer Wolke oft dazu, dass anderswo ein neues Feld entsteht. Ein solches sekundäres Feld kann sich zum Beispiel am Boden bilden, wo es möglicherweise einen aufwärtsgerichteten Blitz auslöst, oder knapp unterhalb der Ionosphäre, was dann vielleicht zu einem Kobold führt.

Bald unternahmen theoretische Physiker erste Versuche zu erklären, wie bei diesen Vorgängen auch Gammaphotonen in den Weltraum abgestrahlt werden könnten. Alexander V. Gurevich und seine Mitarbeiter vom Moskauer Lebedew-Institut für Physik fanden heraus, dass sekundäre elektrische Felder in der Nähe der Ionosphäre Lawinen sehr energiereicher Elektronen erzeugen könnten. Beim Zusammenstoß mit Atomen würden diese nicht nur die charakteristischen roten Leuchterscheinungen der Kobolde hervorrufen, sondern auch hochenergetische Photonen freisetzen: Röntgenstrahlung und sogar die noch energiereichere Gammastrahlung.

Der von Gurevich vorgeschlagene Mechanismus baut auf einer Vermutung auf, die der schottische Physiker und Nobelpreisträger C. T. R. Wilson bereits in den 1920er Jahren formuliert hatte. Elektronen, die von einem elektrischen Feld allmählich beschleunigt werden, bewegen sich wie betrunkene Matrosen: Sie taumeln gewissermaßen von Molekül zu Molekül und verlieren bei jedem Zusammenstoß Energie. Bei hohen Energien und damit Geschwindigkeiten beginnt sich dieser Prozess aber umzukehren. Dann setzen die Moleküle den Elektronen immer weniger Widerstand entgegen, je schneller sich diese bewegen. Je mehr das Feld die Elektronen beschleunigt, desto niedriger wird also der Widerstand. Ein sich selbst verstärkender Prozess kommt in Gang.

Diese hochenergetischen Teilchen nennt man "Runaway"- oder Ausreißerelektronen, denn sie laufen den anderen Teilchen regelrecht davon, während sie beschleunigt werden. Sie können dabei fast Lichtgeschwindigkeit erreichen und Distanzen von mehreren Kilometern überwinden, während ein durch Luft fliegendes Elektron gewöhnlich schon nach wenigen Metern gestoppt wird. Gurevich und seine Arbeitsgruppe vermuteten, dass ein Ausreißerelektron, wenn es schließlich mit einem Gasmolekül in der Luft zusammenstößt, ein weiteres Elektron freisetzen könnte, das seinerseits ausreißt. Das Ergebnis wäre eine Art Kettenreaktion: eine Lawine hochenergetischer Elektronen, die mit dem zurückgelegten Weg exponentiell wächst und sich so weit erstreckt, wie das elektrische Feld reicht. Ein solcher Lawineneffekt würde den Berechnungen von Gurevichs Team zufolge die Intensität der bei Kollisionen mit Atomen entstehenden Röntgen- und Gammastrahlung um viele Größenordnungen steigern.

Diese Theorie wirkte sehr schlüssig, da sie zwei verschiedene atmosphärische Phänomene, Gammablitze und Kobolde, zueinander in Beziehung setzte. Von etwa 1996 an wurde sie daher immer weiter entwickelt. Dafür, dass Kobolde mit Lawinen von Ausreißerelektronen zusammenhängen, sprachen auch die vom Compton-Observatorium gemessenen Energiespektren. Den Weltraum und damit den Satelliten erreichen eher die hochenergetischen Gammablitze, weil sie größere Strecken durch die Atmosphäre zurücklegen können als niederenergetische Strahlung. Zählt man also, wie viele Gammaquanten aus jedem Energiebereich auf einen Satelliten treffen, kann man auf die Höhe schließen, in der sie erzeugt wurden. Die ersten Analysen der CGRO-Messungen schienen auf eine Strahlungsquelle in sehr großer Höhe hinzuweisen und damit tatsächlich auf einen Zusammenhang mit Kobolden.

Doch die Wirklichkeit erwies sich als komplizierter. Einer von uns (Dwyer) arbeitete 2003 an einem Blitzforschungszentrum in Florida. Dort feuerten er und seine Kollegen Raketen in den Himmel, die einen Strom führenden Draht hinter sich herzogen, um so Blitze auszulösen. Das Team maß die von ihnen auf den Boden treffende Röntgenstrahlung und entdeckte bei der Datenauswertung auch einen Ausbruch sehr heller Gammastrahlung, die über das gesamte Terrain gefegt war. Dieser Gammablitz hatte seinen Ursprung offensichtlich in einer Gewitterwolke (siehe "Vom Blitz getroffen" von Joseph R. Dwyer, Spektrum der Wissenschaft 11/2005, S. 38).

Aus Dwyers Daten gingen die Energie der Gammastrahlung und ihre Dauer hervor – genau solche Werte erwartete man auch von terrestrischen Gammablitzen. Doch damals war man davon überzeugt, dass solche Gammablitze aus viel größeren Höhen stammten und auf dem Boden nicht mehr beobachtbar wären. Der Widerspruch war offensichtlich: Einerseits legten die Daten die Vermutung nahe, die von den Satelliten nachgewiesene Gammastrahlung könnte auch von Blitzen im Innern von Gewitterwolken ausgelöst werden. Andererseits erschien diese Idee geradezu verrückt. Denn der Blitz hätte unglaublich hell sein müssen, damit es ein ausreichend großer Anteil der Strahlung durch die Atmosphäre hindurch bis in den Weltraum schafft.

Widersprüchliche Ergebnisse: Entstehen Gammablitze auf Wolkenhöhe oder nahe dem Weltraum? Schon 2002 hatte die NASA auch den Forschungssatelliten RHESSI (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) in eine Umlaufbahn gebracht. Er untersucht die Röntgen- und Gammaemissionen der Sonne, seine großen Germaniumdetektoren eignen sich aber auch hervorragend zur Messung der Gammastrahlung aus der Atmosphäre. Weil die Detektoren auf die Sonne gerichtet sind, können die irdischen Gammaquanten allerdings nur durch die "Rückseite" des Satelliten beobachtet werden.

Einer von uns (Smith) war damals Mitglied des Instrumententeams von RHESSI. Er beauftragte Liliana Lopez, eine Studentin der University of California, Berkeley, die bei RHESSI eingehenden Datenströme nach Anzeichen für Gammablitze aus der Atmosphäre zu durchsuchen. Zu dieser Zeit ging man davon aus, dass terrestrische Gammablitze sehr selten seien. Überraschenderweise stieß Lopez aber auf einen wahren Datenschatz, denn RHESSI zeichnete alle paar Tage einen Gammablitz auf. Die Ausbeute des Satelliten war damit zehnmal größer als die des CGRO-Teleskops. Zudem erfasste er die Gammaquanten von Strahlungsausbrüchen weitaus präziser, als es das Compton-Observatorium je vermocht hatte.

Das gemessene Spektrum sah tatsächlich genau so aus, wie es das Modell der Runaway-Elektronen erwarten ließ. Als wir die Messdaten mit Simulationen verglichen, kamen wir jedoch zu dem Schluss, dass die Gammablitze weite Strecken durch die Luft zurückgelegt hatten: Sie mussten in Höhen zwischen 14 und 20 Kilometern entstanden sein. Das ist typisch für die oberen Ausläufer von Gewittern, liegt jedoch weit unterhalb der Region, in der sich Kobolde beobachten lassen.

Weitere Befunde erhärteten unser Ergebnis. Steven Cummer von der Duke University im US-Bundesstaat North Carolina hatte an einigen der Gewitterblitze, die sich mit den von RHESSI aufgezeichneten Ereignissen in Verbindung bringen ließen, Radiomessungen vorgenommen. Seine Analyse ergab, dass diese Blitze viel zu schwach waren, um Kobolde zu erzeugen. Aufschlussreich war auch eine auf Basis der RHESSI-Daten erstellte Karte. Sie zeigte die Verteilung der Gammablitze rund um den Erdball und ähnelte sehr stark der Verteilung normaler Gewitter, die sich in den Tropen konzentrieren. Die Verteilung von Kobolden, die gelegentlich gehäuft in höheren Breiten zu beobachten sind, hat mit jener der Gammablitze hingegen nur wenig zu tun.

Doch die Compton-Spektren wiesen weiterhin auf Entstehungsorte hin, die wegen ihrer großen Höhe eher mit Kobolden als mit Gewitterstürmen vereinbar waren. Viele von uns fingen schon an zu glauben, dass es zwei Arten von Gammablitzen geben könne, solche aus großer und solche aus geringer Höhe. 2008 konnten wir die vermeintliche Verbindung zwischen Kobolden und Gammastrahlung jedoch endgültig ad acta legen. In Zusammenarbeit mit dem damaligen Studenten Brian Grefenstette erkannten wir nämlich, dass terrestrische Gammablitze weitaus heller waren als bislang gedacht.

Sie blendeten die Compton-Detektoren teilweise, und so wurde nicht ihre volle Intensität registriert. Unsere Messungen hatten also stets zu niedrige Werte ergeben. Von dem Sättigungseffekt war auch RHESSI betroffen, allerdings in geringerem Ausmaß. 2010 analysierten Forscher der norwegischen Universität Bergen die Daten unter Berücksichtigung der Sättigung erneut und stellten fest, dass die Ergebnisse nun mit einer Strahlungsquelle in niedrigerer Höhe übereinstimmten.

Gammastrahlung hat viele Quellen – doch Kobolde gehören nicht dazu

In nicht einmal zwei Jahren war also klar geworden, dass die einstigen Vermutungen über die Höhe des Entstehungsorts von Gammablitzen um mehr als 50 Kilometer nach unten revidiert werden mussten. Es entbehrt auch nicht einer gewissen Ironie, dass Kobolde noch als Paradebeispiel für die Entstehung hochenergetischer Strahlung in der Erdatmosphäre galten, als wir uns vor zehn Jahren diesem Forschungsfeld zuwandten. Tatsächlich aber scheinen alle möglichen Phänomene nachweisbare hochenergetische Strahlung zu emittieren – von Gewitterwolken über verschiedene Arten von Blitzen bis hin zu im Labor erzeugten Funken –, nur eben Kobolde nicht. Auf Grund ihrer niedrigen Strahlungsenergie, so lautet der Konsens unter Forschern mittlerweile, kommen sie als Quelle für Gammablitze nicht in Frage.

Wenn Gammablitze also nicht durch Kobolde erzeugt werden, wodurch dann? Die Energien, die bei dem von Gurevich und seinen Mitarbeitern modellierten Lawinenmechanismus auftreten, sind höher, als sie mit Kobolden vereinbar wären. Gleichwohl reichen sie nicht aus, um die von RHESSI gemessenen Helligkeiten oder die neu interpretierten Compton-Daten zu erklären. Doch es gibt eine viel versprechende Variante des Lawinen-Mechanismus. Den Berechnungen von Dwyer zufolge könnte dabei Billionen Mal mehr Energie freigesetzt werden als gedacht, zudem könnte ein solcher Mechanismus auch im Innern einer Gewitterwolke funktionieren.

Mehr noch: Auch große Mengen an Antimaterie würden entstehen. Diesen Überlegungen zufolge werden Ausreißerelektronen in einem starken elektrischen Feld einer Gewitterwolke auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und senden beim Zusammenstoß mit Atomkernen der Luftmoleküle Gammastrahlung aus. Die emittierten Gammaquanten treten ihrerseits mit Atomkernen in Wechselwirkung und erzeugen dabei Paare von Teilchen: Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen. Die Positronen gewinnen nun ebenfalls Energie aus dem elektrischen Feld und reißen aus. Während sich die Elektronen im Feld nach oben bewegen, fliegen die entgegengesetzt geladenen Positronen jedoch nach unten. Im unteren Bereich des elektrischen Felds stoßen sie mit Luftatomen zusammen und setzen dabei neue Elektronen frei, die wieder nach oben ausreißen. Dieser Prozess wird als "relativistic feedback discharge" oder kurz relativistisches Feedback bezeichnet.

Die nach oben fliegenden Elektronen erzeugen also abwärtsfliegende Positronen, die wiederum aufwärtsfliegende Elektronen entstehen lassen und so weiter. Durch die fortlaufende Erzeugung neuer Lawinen würden sich die Entladungen rasch über ein weites Gebiet der Gewitterwolke verbreiten, das mehrere Kilometer ausgedehnt sein könnte. Tatsächlich stimmen die Voraussagen dieses Modells perfekt mit der Intensität, der Dauer und dem Energiespektrum der vom Compton-Observatorium und von RHESSI beobachteten Gammastrahlung überein.

Trotzdem könnte dem Phänomen auch eine andere Erklärung zu Grunde liegen. Dieses alternative Modell, das mathematisch allerdings noch nicht vollständig ausgearbeitet ist, betrachtet Gammablitze als energiereichere Varianten der von Blitzen ausgelösten Röntgenstrahlung. Letztere wird seit einigen Jahren von Forschern des Florida Institute of Technology, der University of Florida und des New Mexico Institute of Mining and Technology untersucht. Sie vermessen die auf den Boden treffende Röntgenstrahlung natürlicher und künstlicher Blitze und zeichnen die Ereignisse zudem mit einer Hochgeschwindigkeitsröntgenkamera auf. Die Filme zeigen, dass die Ausbrüche von der jeweiligen Spitze des Blitzkanals ausgehen, entlang dessen sich der Blitz seinen Weg von der Wolke zum Boden bahnt.

Die meisten Wissenschaftler vermuten, dass sie von Ausreißerelektronen erzeugt werden, die ihre Energie aus starken, den Blitzen vorausgehenden elektrischen Feldern beziehen. Vielleicht sind Blitze, die sich durch das elektrische Feld in einer Gewitterwolke bewegen, tatsächlich besonders gut geeignet, um solche Ausreißerelektronen zu erzeugen. Ob diese Idee zutrifft, steht allerdings noch nicht fest. Falls ja, könnten die von Weltraumdetektoren aufgezeichneten Ereignisse tatsächlich mit Röntgenstrahlung zusammenhängen, die durch einen noch unbekannten Mechanismus zu Gammastrahlung verstärkt wurde.

Ende 2005 waren wir davon überzeugt, dass die meisten terrestrischen Gammablitze, egal ob von Antimaterie oder irgendwie verstärkten Blitzen erzeugt, aus dem Innern von Gewitterwolken oder ihrem oberen Bereich stammen. Eine weitere Beobachtung stellte diese Hypothese allerdings erneut auf eine harte Probe: Einer der von RHESSI aufgezeichneten Gammablitze ereignete sich mitten in der Sahara – an einem sonnigen Tag, an dem keine Gewitterwolke weit und breit zu sehen war. An dieser harten Nuss bissen wir uns monatelang die Zähne aus, gemeinsam mit unseren Studenten.

Natürlich gab es an jenem Tag durchaus Gewitterwolken – aber eben nicht dort, wo der Satellit danach Ausschau hielt. Die Gewitterstürme tobten viele tausend Kilometer weiter südlich, wo sie von RHESSI aus gesehen hinter dem Horizont lagen. Eines war also schnell klar: Die dort entstandenen Gammablitze konnten die Raumsonde nicht erreicht haben, weil sie sich wie alle Formen von Licht geradlinig ausbreiten. Für geladene Teilchen wie zum Beispiel Elektronen gelten jedoch andere Regeln.

Für sie ist es zum Beispiel ganz natürlich, sich – wenn auch in einer Spiralbahn – entlang den gekrümmten Linien des Erdmagnetfelds zu bewegen. Tatsächlich stellten wir fest, dass sich die Gewitterstürme genau am entgegengesetzten Ende der magnetischen Feldlinien befanden, die auch durch den Satelliten liefen. Elektronen, die in sehr große Höhe gelangt wären, hätten entlang dieser Linien große Strecken zurücklegen und unter Aussendung von Gammastrahlung auf die Detektoren von RHESSI prallen können.

Allerdings schien es ausgeschlossen, dass Elektronen aus dem Innern einer Gewitterwolke so viele Kilometer durch die Luft aufsteigen, um sich dort schließlich an die Magnetfeldlinien zu heften. Wieder einmal deutete eine neue Messung auf eine Strahlungsquelle in großer Höhe hin.

Im vergangenen Jahr lieferte das Weltraumteleskop Fermi eine weitere Erkenntnis. Als Forscher mit seiner Hilfe ebenfalls auf Teilchenstrahlung entlang der geomagnetischen Feldlinien gestoßen waren (siehe "Blitz, Donner, Antiteilchen", Spektrum der Wissenschaft 6/2011, S. 12), entdeckten sie Verblüffendes: Ein beträchtlicher Teil davon besteht aus Positronen!

Atmosphärische Phänomene schleudern also nicht nur Elektronen und Gammastrahlung, sondern auch Antimaterieteilchen ins All. Rückblickend erscheint dies allerdings weniger überraschend. Zwar ist Antimaterie in der Natur sehr selten anzutreffen, doch angesichts der hohen Gammaenergie hätten wir diese Beobachtung eigentlich voraussehen können.

Nicht die letzte Überraschung des Jahres

Wie steht es um das rätselhafte Ereignis in der Sahara? Die Gammaquanten, so fanden wir heraus, stammten nicht etwa von einer Quelle in großer Höhe, vielmehr entstanden sie in den Gewitterwolken in weitaus größerer Menge, als man für möglich gehalten hatte. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie es bis in große Höhen schafften, war zwar klein, aber eben dennoch größer als null. Daher flogen einige von ihnen sehr weit in Richtung Weltraum, trafen oberhalb einer Höhe von 40 Kilometern vereinzelt auf Luftmoleküle und erzeugten dabei Elektron-Positron-Paare. Diese Teilchen folgten schließlich den magnetischen Feldlinien und wurden von RHESSI registriert.

Die Entdeckung von Positronen sollte nicht die letzte Überraschung des Jahres bleiben. Ebenfalls 2011 entdeckten Forscher mit Hilfe des italienischen Observatoriums AGILE, dass die Energiespektren terrestrischer Gammablitze bis in eine Größenordnung von 100 Millionen Elektronvolt reichen können. Das wäre selbst für eine Sonneneruption beachtlich. Sollten sich diese Beobachtungen als zutreffend erweisen, müssen wir unsere Modelle überprüfen, da es höchst unwahrscheinlich ist, dass allein der Runaway-Mechanismus so hohe Energien erzeugen kann. Tatsächlich ist völlig unklar, welcher Prozess im Innern von Gewitterwolken Elektronen auf solche Energien beschleunigen könnte.

Zum Glück planen Arbeitsgruppen in den USA, Europa und Russland in den nächsten Jahren erste Weltraummissionen speziell zur Erforschung terrestrischer Gammastrahlung, deren Messungen uns Anhaltspunkte für eine neue Theorie geben können. Wir selbst haben in der Zwischenzeit ein Instrument entwickelt, das an Bord von Flugzeugen die Gammastrahlung in Gewitterstürmen misst. Wegen der Gesundheitsrisiken verbietet es sich natürlich, direkt in ein Gewitter hineinzufliegen.

Bei einem frühen Testflug geriet das Flugzeug mit einem von uns (Dwyer) jedoch unabsichtlich in einen Gewittersturm. Der anfängliche Schrecken wich schnell einem Hochgefühl, als die Detektoren plötzlich aufleuchteten. Zum Glück blieb die Intensität des Ausbruchs niedrig, er entwickelte sich auch nicht so explosionsartig wie die vom Weltall aus beobachteten Ereignisse. Wie die spätere Analyse ergab, wurde in dem fraglichen Gebiet genau jene Art von Ausreißerelektronen beschleunigt, von der wir vermuten, dass sie für Gammablitze verantwortlich ist.

Auf Grund unserer Flüge wissen wir mittlerweile, dass Gewitter meist eine relativ harmlose, kontinuierliche Gammastrahlung emittieren. Besatzung und Passagiere eines Verkehrsflugzeugs, das zufällig von den hochenergetischen Elektronen und Gammablitzen eines Gewitters getroffen würde, wären vorläufigen Berechnungen zufolge durchaus gefährdet. Im Bruchteil einer Sekunde würden die Menschen, ohne es zu spüren, einer Strahlendosis ausgesetzt, die der lebenslangen natürlichen Dosis entspricht. Da ist es nur gut, dass sich Piloten ohnehin von Gewittern fernhalten.