Kollisionen im Weltall setzen starke Gammastrahlung frei
1. Juli 2020
Die Arbeit mit Teilchenbeschleunigern gehört zum Tagesgeschäft der Kernphysiker am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY).
Was weniger bekannt ist: Das DESY beschäftigt sich auch mit einer ganz anderen Form von Teilchenbeschleunigern – den in der Natur vorkommenden . Und das ist vor allem die Aufgabe der dortigen Astrophysiker.
Ein solcher Teilchenbeschleuniger – unvorstellbar viel größer als etwa die menschengemachte Anlage der Europäischen Organisation für Kernphysik (CERN) in Genf – ist das Doppelstern-System Eta Carinae.
Es liegt 7500 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schiffskiel (Carina) am Südhimmel und erzeugt Gammastrahlung bis zu einer Energie von 400 Gigaelektronenvolt (GeV) – rund 100 Milliarden Mal mehr als die Energie von sichtbarem Licht.
Der Doppelstern ist das erste bekannte Beispiel für eine Quelle, bei der sehr energiereiche Gammastrahlung durch kollidierende Sternwinde erzeugt wird.
Das Doppelsternsystem am Computer rekonstruiert
Das Team um Stefan Ohm, Eva Leser und Matthias Füßling von DESY haben das Doppelsternsystem mit einem Spezialteleskop am Gammastrahlenobservatorium High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia beobachtet.
Gemeinsam mit Animations-Spezialisten des Science Communication Lab haben sie dann in einer Videoanimation rekonstruiert, wie es funktioniert. Der Komponist Carsten Nicolai (Künstlername: Alva Noto) komponierte den Soundtrack dazu.
Die Forscher haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics publiziert.
Ein Sternsystem der Superlative
Eta Carinae besteht aus zwei blauen Riesensonnen: Die eine hat die etwa hundertfache Masse unserer Sonne, die andere etwa die 30-fache. Beide umkreisen sich alle 5,5 Jahre auf stark elliptischen Bahnen. Ihr Abstand schwankt dabei sehr stark, in etwa zwischen der Entfernung von Sonne zu Mars und Sonne zu Uranus.
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Beide Riesensterne schleudern dichte, überschallschnelle Sternwinde aus geladenen Teilchen ins All. Der größere der beiden verliert dabei in nur rund 5000 Jahren so viel Masse, wie unsere Sonne insgesamt besitzt.
Dort, wo die beiden Sternwinde alle fünfeinhalb Jahre aufeinandertreffen, entsteht eine gewaltige und extrem heiße Schockfront mit Temperaturen um die 50 Millionen Grad Celsius.
Die starken elektromagnetischen Felder, die dort herrschen, beschleunigen subatomare Teilchen. "Solche stark beschleunigten Teilchen können auch Gammastrahlung aussenden", erklärt Forschungsleiter Ohm.
Tatsächlich haben der NASA-Satellit Fermi und Agile der italienischen Raumfahrtagentur ASI bereits 2009 energiereiche Gammastrahlung bis etwa 10 GeV von Eta Carinae nachgewiesen.
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Woher stammt die Gammastrahlung?
"Für die Produktion dieser Gammastrahlung gibt es verschiedene Modelle", berichtet Co-Autor Füßling. "Sie kann von stark beschleunigten Elektronen stammen oder von energiereichen Atomkernen."
Energiereiche Atomkerne machen vor allem die kosmische Strahlung aus, die permanent von allen Seiten auf die Erde einprasselt. Obwohl sie schon vor mehr als 100 Jahren entdeckt wurde, sind die Quellen der energiereichen Atomkerne noch immer nicht gut bekannt.
Da sie elektrisch geladen sind, werden die Atomkerne auf ihrem Weg durch das Universum von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt. Ihre Ankunftsrichtung auf der Erde weist daher nicht mehr zu ihrem Ursprung zurück.
Kosmische Gammastrahlung hingegen wird nicht abgelenkt. Wenn sich nachweisen lässt, dass die Gammastrahlung von energiereichen Atomkernen stammt, wäre damit auch einer der gesuchten Beschleuniger der Kosmischen Teilchenstrahlung gefunden.
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Warten auf neues Gammastrahlen-Teleskop
"Die Analyse der von H.E.S.S. und den Satelliten gemessenen Gammastrahlung zeigt, dass sie sich am besten als Produkt hochbeschleunigter Atomkerne deuten lässt", sagt DESY-Doktorand Ruslan Konno. Er hat zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg eine begleitende Studie veröffentlicht.
"Damit wären die Schockregionen kollidierender Sternwinde auch ein neuer Typ natürlicher Teilchenbeschleuniger für die Kosmische Strahlung," so sein Fazit.
Nun wollen die Astrophysiker diese These weiter erhärten. Neben H.E.S.S., benannt nach dem Entdecker der Kosmischen Strahlung, Victor Franz Hess, steht ihnen in Zukunft noch ein leistungsfähigeres Gammastrahlenobservatorium zur Verfügung. Die Bauarbeiten für dasCherenkov Telescope Array (CTA) im chilenischen Hochland sind bereits im Gange.
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