DESY: Kosmischer Teilchenbeschleuniger am Limit

Gammastrahlen-Observatorium H.E.S.S. zeigt Beschleunigungsprozess so detailliert wie nie zuvor. Eine Pressemeldung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY – ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft.

Quelle: DESY.

Künstlerische Darstellung der RS-Ophiuchi-Nova-Explosion: Die schnellen Schockwellenfronten bilden die Form eines Uhrenglases aus, in der die Gammastrahlung produziert wird. Sie wird dann von den H.E.S.S.-Teleskopen (im Vordergrund) aufgezeichnet. (Bild: DESY/H.E.S.S., Science Communication Lab)

10. März 2022 – Mit Spezialteleskopen haben Forscherinnen und Forscher so detailliert in einen kosmischen Teilchenbeschleuniger geblickt wie nie zuvor. Die Beobachtungen mit dem Gammastrahlen-Observatorium H.E.S.S. in Namibia zeigen erstmals den zeitlichen Ablauf des Beschleunigungsprozesses in einer sogenannten Nova. Dabei handelt es sich um starke Eruptionen auf der Oberfläche eines Weißen Zwergsterns. Dabei entsteht eine Schockwelle, die sich durch das Umgebungsmedium pflügt, subatomare Teilchen mitreißt und diese auf extreme Energien beschleunigt. Erstaunlicherweise scheint die beobachtete Nova RS Ophiuchi aufgrund idealer Voraussetzungen Teilchenbeschleunigung am theoretischen Limit zu bewerkstelligen, wie das Team im Fachblatt „Science“ berichtet.

Weiße Zwerge sind ausgebrannte, alte Sterne, die in sich zusammengefallen sind und sehr kompakte Objekte bilden. Novae entstehen zum Beispiel, wenn ein Weißer Zwerg mit einem großen Stern in einem Doppelsystem kreist und aufgrund seiner Gravitation Materie von seinem massiven Begleiter aufsammelt. Überschreitet die aufgesammelte Masse eine kritische Grenze, kommt es zu einer thermonuklearen Explosion auf der Oberfläche des Weißen Zwergs. Manche Novae treten in regelmäßigen Abständen immer wieder auf. RS Ophiuchi ist eine solche wiederkehrende Nova; alle 15 bis 20 Jahre gibt es eine Explosion auf der Sternoberfläche. „Die Sterne, die das System bilden, haben in etwa den gleichen Abstand wie Erde und Sonne“, erklärt Alison Mitchell, Wissenschaftlerin an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Leiterin des H.E.S.S.-Nova-Programms. „Als die Nova im August 2021 wieder explodierte, konnten wir mit den H.E.S.S.-Teleskopen zum ersten Mal eine galaktische Explosion in sehr hochenergetischer Gammastrahlung beobachten.“

Dabei registrierte die Forschungsgruppe, dass die Teilchen auf mehrere hundertmal höhere Energien beschleunigt wurden als bei zuvor beobachteten Novae. Außerdem wurde die von der Explosion freigesetzte Energie höchst effizient in die Beschleunigung von Protonen (Wasserstoffatomkerne) und schwererer Kerne umgewandelt. Dabei erreichte die Teilchenbeschleunigung die Maximalgeschwindigkeiten, wie sie in theoretischen Modellen berechnet werden. „Die Beobachtung, dass in kosmischen Schockwellen in der Realität das theoretische Limit der Teilchenbeschleunigung erreicht werden kann, hat enorme Auswirkungen für die Astrophysik“, sagt Ruslan Konno, einer der Hauptautoren der Studie und Doktorand bei DESY in Zeuthen. „Sie legt nahe, dass der Beschleunigungsprozess genauso effizient bei noch viel extremeren kosmischen Explosionen – den sogenannten Supernovae – sein könnte.“

Künstlerische Darstellung des Systems von Weißem Zwerg und Rotem Riesen nach einer Nova-Explosion: Sternmaterial wird in Form eines Stundenglases von der Oberfläche des Weißen Zwergs (Bildmitte) geschleudert; in der entstehenden Schockwellenfront werden Teilchen beschleunigt. Bei der Kollision mit dem dichten Wind des Roten Riesen (Kugel in der Bildmitte) entsteht energiereiche Gammastrahlung. (Bild: DESY/H.E.S.S., Science Communication Lab)

Bei der Eruption von RS Ophiuchi konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Nova in Echtzeit mitverfolgen und so zum ersten Mal die kosmische Teilchenbeschleunigung wie einen Film beobachten und studieren. H.E.S.S. konnte höchstenergetische Gammastrahlen noch bis zu einen Monat nach der Explosion messen. „Diese Art der Beobachtung ist neu und erlaubt in Zukunft noch genauere Einblicke in die Funktionsweise kosmischer Explosionen“, sagt Dmitry Khangulyan, Theoretiker an der Rikkyo Universität in Tokyo, Japan. „So könnte es zum Beispiel sein, dass Novae zur allgegenwärtigen Kosmischen Strahlung beitragen und damit die Dynamik ihrer unmittelbaren Umgebung wesentlich beeinflussen.“ Bei der sogenannten Kosmischen Strahlung handelt es sich um einen Hagel energiereicher subatomarer Teilchen, der aus allen Richtungen des Weltalls gleichmäßig kommt, und dessen genaue Ursprünge noch nicht vollständig geklärt sind.

Das Observatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) in Namibia besteht aus fünf sogenannten Cherenkov-Teleskopen, die zur Untersuchung von Gammastrahlung aus dem Weltraum eingesetzt werden. Im größten Teleskop wurde eine neue, hochsensible Kamera installiert, eine sogenannte FlashCam, die dem neusten Stand der Technik entspricht. Solche FlashCams werden derzeit auch für das Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation weiterentwickelt, das Cherenkov Telescope Array (CTA). „Die neue Kamera ist seit Ende 2019 in Betrieb. Diese Messung zeigt, welches Potenzial in den Kameras der neuesten Generation steckt“, betont Simon Steinmaßl, Doktorand am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der mit der Analyse der Kameradaten betraut ist.

Künstlerische Darstellung des RS-Ophiuchi-Binär-Sternsystems, das aus einem Weißen Zwerg (im Hintergrund) und einem Roten Riesen besteht, die sich umkreisen. Material des Roten Riesen wird kontinuierlich von seinem Begleitstern aufgesogen. (Bild: DESY/H.E.S.S., Science Communication Lab)

Die Teleskope wurden schnellstmöglich auf die Nova ausgerichtet, nachdem das Ereignis von einem Hobbyastronomen gemeldet wurde. Auch diese schnelle Reaktion trug zum Erfolg der Beobachtung bei und ermöglichte umfangreiche Nachbeobachtungen. „In den nächsten Jahren wird sich durch Forschung mit CTA-Teleskopen zeigen, ob diese Art von Novae besonders sind“, erklärt H.E.S.S.-Direktor Stefan Wagner, Professor an der Landessternwarte in Heidelberg. Zudem wissen Beobachtende nun genauer, wonach sie suchen müssen. Somit ergeben sich eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten, die Geschehnisse im Zusammenhang mit Novae besser zu verstehen und beschreiben, betont Wagner. „Diese Messung stellt einen weiteren Erfolg in der Gammaastronomie dar und lässt uns hoffen, noch viele weitere kosmische Explosionen mit H.E.S.S. und zukünftigen Gammastahlen-Teleskopen zu studieren.“

Über HESS
Das High Energy Stereoscopy System H.E.S.S. ist ein System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Erforschung der kosmischen Gammastrahlung. Das Observatorium wird in einer internationalen Kooperation betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, einer Gegend, die für ihre hervorragende optische Qualität bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das viel größere fünfte Teleskop – H.E.S.S. II – ist seit Juli 2012 in Betrieb, erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. An H.E.S.S. sind mehr als 230 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 41 Instituten aus 15 Ländern beteiligt.

Originalveröffentlichung
Detection of TeV gamma-ray emission from the recurrent nova RS Oph in its 2021 outburst; The H.E.S.S. collabroation; „Science“, 2022; DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0567

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