Quelle: DESY.

Juli 2020 – Mit einem Spezialteleskop in Namibia hat ein DESY-geführtes Forscherteam einen besonderen Doppelstern als neue Quelle für sehr energiereiche kosmische Gammastrahlung nachgewiesen: Eta Carinae liegt 7500 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schiffskiel (Carina) am Südhimmel und erzeugt den Messungen zufolge Gammastrahlung bis zu einer Energie von 400 Gigaelektronenvolt (GeV) – rund 100 Milliarden Mal mehr als die Energie von sichtbarem Licht. Das Team um Stefan Ohm, Eva Leser und Matthias Füßling von DESY stellt seine Beobachtungen am Gammastrahlenobservatorium High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) im Fachblatt „Astronomy & Astrophysics“ vor. Eine begleitend erstellte Multimedia-Animation erklärt das Phänomen. „Mit solchen Visualisierungen möchten wir die Faszination der Forschung erlebbar machen“, betont DESYs Direktor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann.

Eta Carinae ist ein Binärsystem der Superlative. Es besteht aus zwei blauen Riesensonnen: Die eine hat die rund 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 in etwa zwischen der Entfernung von Sonne zu Mars und Sonne zu Uranus. Beide Riesensterne schleudern dichte, überschallschnelle Sternwinde aus geladenen Teilchen ins All. Der größere der beiden verliert dabei in nur rund 5000 Jahren soviel Masse, wie unsere Sonne insgesamt besitzt. Der kleinere treibt einen schnellen Sternenwind mit etwa elf Millionen Kilometern pro Stunde (rund ein Prozent der Lichtgeschwindigkeit) an.

Dort, wo die beiden Sternwinde aufeinandertreffen, entsteht eine gewaltige Schockfront, in der das Windmaterial extrem aufgeheizt wird. Bei rund 50 Millionen Grad Celsius leuchtet es hell im Röntgenlicht. Für die Emission von Gammastrahlung sind die Windteilchen allerdings nicht heiß genug. „Derartige Schockregionen sind jedoch typische Orte für die Beschleunigung subatomarer Teilchen durch die starken elektromagnetischen Felder, die dort herrschen“, erläutert Ohm, Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY. Solche stark beschleunigten Teilchen können auch Gammastrahlung aussenden. Tatsächlich haben die Satelliten „Fermi“ der US-Raumfahrtbehörde NASA und „Agile“ der italienischen Raumfahrtagentur ASI bereits 2009 energiereiche Gammastrahlung bis etwa 10 GeV von Eta Carinae nachgewiesen.

Energiereicher Teilchenhagel
„Für die Produktion dieser Gammastrahlung gibt es verschiedene Modelle“, berichtet Füßling. „Sie kann von stark beschleunigten Elektronen stammen oder von energiereichen Atomkernen.“ Welches von beiden Szenarien zutrifft, ist von entscheidender Bedeutung: Energiereiche Atomkerne stellen die Hauptkomponente der sogenannten Kosmischen Strahlung, die permanent von allen Seiten auf die Erde einprasselt. Obwohl die Kosmische Strahlung bereits vor mehr als 100 Jahren entdeckt wurde, sind die Quellen der energiereichen Atomkerne trotz intensiver Forschung noch immer nicht erschöpfend 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 also nachweisen lässt, dass die Gammastrahlung von energiereichen Atomkernen stammt, wäre damit auch einer der gesuchten Beschleuniger der Kosmischen Teilchenstrahlung gefunden.

„Bei Eta Carinae haben es Elektronen besonders schwer, auf sehr hohe Energien beschleunigt zu werden, da sie während ihrer Beschleunigung gleichzeitig in Magnetfeldern abgelenkt werden und so wieder Energie verlieren“, sagt Leser. „Oberhalb von 100 GeV beginnt der Bereich der sehr hochenergetischen Gammastrahlung, die sich nur noch schwer durch Elektronenbeschleunigung erklären lässt.“ Rund um die jüngste Begegnung der beiden Riesensterne konnte H.E.S.S. nun Gammastrahlung bis zu einer Energie von 400 GeV nachweisen. Der Doppelstern ist damit das erste bekannte Beispiel für eine Quelle, bei der sehr energiereiche („very high energy“; VHE) Gammastrahlung durch kollidierende Sternwinde erzeugt wird.

„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“, betont DESY-Doktorand Ruslan Konno, der zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg eine begleitende Studie veröffentlicht hat. „Damit wären die Schockregionen kollidierender Sternwinde auch ein neuer Typ natürlicher Teilchenbeschleuniger für die Kosmische Strahlung.“ Mit H.E.S.S., benannt nach dem Entdecker der Kosmischen Strahlung, Victor Franz Hess, und insbesondere mit dem Cherenkov Telescope Array (CTA), dem im chilenischen Hochland entstehenden Gammastrahlenobservatorium der nächsten Generation, hoffen die Forscherinnen und Forscher, dieses Phänomen genauer erforschen und weitere derartige Quellen entdecken zu können.

Kosmischer Roadtrip
Dank intensiver Beobachtungen von Eta Carinae in allen Wellenlängenbereichen lassen sich die Eigenschaften der Sterne, ihrer Umlaufbahn sowie der Sternwinde verhältnismäßig gut ableiten. So können sich Astrophysiker ein besseres Bild des Doppelsternsystems und seiner Geschichte machen. Um die neuen Beobachtung von Eta Carinae zu veranschaulichen, haben die DESY-Astrophysiker gemeinsam mit den Animations-Spezialisten des preisgekrönten Science Communication Lab eine Videoanimation produziert. Die computergenerierten Bilder sind nahe an der Realität, weil dafür die gemessenen Bahn-, Stern- und Windparameter verwendet wurden. Der international gefeierte Multimedia-Künstler Carsten Nicolai, der für seine musikalischen Werke das Pseudonym Alva Noto benutzt, kreierte eigens den Sound zur Animation.

„Wissenschaft und wissenschaftliche Forschung finde ich extrem wichtig“, sagt Nicolai, der in der kreativen Arbeit von Künstlern und Wissenschaftlern enge Parallelen sieht. Der Reiz dieser Arbeit lag für ihn auch in der künstlerischen Vermittlung von wissenschaftlichen Forschungsergebnissen: „Mir gefällt besonders gut, dass es kein Film-Soundtrack ist, sondern einen echten Bezug zur Realität hat“, betont der Musiker und Künstler. Gemeinsam mit dem exklusiv komponierten Sound ist aus dieser besonderen Kooperation zwischen Wissenschaftlern, Animationskünstlern und Musiker ein multimediales Werk entstanden, das Zuschauerinnen und Zuschauer auf eine außergewöhnliche Reise zu einem etwa 7500 Lichtjahre entfernten Doppelstern der Superlative mitnimmt.

Originalveröffentlichung:
Detection of very-high-energy γ-ray emission from the colliding wind binary η Car with H.E.S.S.; H.E.S.S. Collaboration (for DESY: Matthias Füßling, Eva Leser, Stefan Ohm); „Astronomy & Astrophysics“, 2020; DOI: 10.1051/0004-6361/201936761

Begleitveröffentlichung:
Gamma-ray and X-ray constraints on non-thermal processes in η Carinae; R. White, M.Breuhaus, R. Konno, S. Ohm, B. Reville, and J.A. Hinton; Astronomy & Astrophysics“, 2020; DOI: 10.1051/0004-6361/201937031

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO, Wikipedia.

Bei dem Carinanebel, auch bekannt unter der Bezeichnung Eta-Carinae-Nebel, handelt es sich um einen sogenannten Emissionsnebel, welcher sich in einer Entfernung von etwa 7.500 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Schiffskiel (lateinischer Name „Carina“) befindet und über eine Ausdehnung von etwa 150 Lichtjahren verfügt. Aufgrund der Vielzahl der dort befindlichen massereichen Sterne zählt der Carinanebel zu den hellsten Nebeln, welche am Nachthimmel zu beobachten sind. Seine scheinbare Helligkeit beträgt +3,00 Magnitude, der scheinbare Durchmesser liegt bei 120 Bogenminuten. Der Nebel ist somit eine der ausgedehntesten H-II-Regionen in unserer Galaxie. Bei diesen Regionen handelt es sich um „Geburtsstätten“ neuer Sterne.

Innerhalb des Carinanebels befinden sich einige der hellsten und massereichsten Sterne, welche den Astronomen bekannt sind. Einer von ihnen ist Eta Carinae – ein veränderlicher und hoch instabiler Stern, welcher über die 100- bis 120-fache Masse unserer Sonne verfügt. Auffällig ist er besonders aufgrund seiner Ausbrüche und der daraus resultierenden, teilweise gewaltigen Helligkeitsveränderungen. Im Jahr 1843 erreichte er bei einem dieser Ausbrüche eine Helligkeit von -0,8 mag, was ihn nach dem Stern Sirius , dem „Hundsstern“ im Sternbild Canis Major (zu deutsch „Großer Hund“), für einige Zeit zum zweithellsten Stern am nächtlichen Firmament werden ließ.

Die hohe Fusionsrate im Inneren von Eta Carinae hat zur Folge, dass der dort zur Verfügung stehende Kernbrennstoff in verhältnismäßig kurzer Zeit, nämlich innerhalb von wenigen Millionen Jahren, verbraucht sein wird. Sobald dies geschieht wird der Stern seine Existenz in Form einer Supernova beenden.

Der Carinanebel präsentiert sich dem irdischen Beobachter bereits im sichtbaren Licht als ein wahrlich spektakulärer Anblick, aber viele seiner Geheimnisse bleiben in diesem Wellenlängenbereich hinter den dichten Staubwolken verborgen, welche den Nebel durchziehen und umgeben. Um diesen verhüllenden Staubschleier zu durchdringen hat sich ein von dem Astronomen Prof. Dr. Thomas Preibisch von der Universitätssternwarte der Ludwig-Maximilians-Universität in München geleitetes Beobachtungsteam die Leistungsfähigkeit des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) und der daran montierten Infrarotkamera HAWK-I zu Nutze gemacht.

In staubreichen Himmelsregionen wird das von dort ausgehende kurzwellige blaue Licht stärker absorbiert und gestreut als das langwelligere rote. Der gleiche Effekt verursacht auf der Erde das Farbenspiel der leuchtend roten Auf- und Untergänge der Sonne, welche speziell dann zu beobachten sind, sobald sich viel Staub in der irdischen Atmosphäre befindet. In besonders staubreichen Regionen am nächtlichen Himmel ist dieser Absorptionseffekt so stark ausgeprägt, dass von den dortigen Objekten keinerlei sichtbares Licht die Erde erreicht. Astronomen umgehen dieses Problem, indem sie ihre Beobachtungen im infraroten Wellenlängenbereich durchführen, wobei dann spezielle Infrarotkameras eingesetzt werden.

Bei dem „High Acuity Widefield K-band Imager“, so die vollständige Bezeichnung für die Kamera HAWK-I, handelt es sich um ein Instrument, welches den unter Astronomen existierenden Bedarf nach Bildern mit einem verhältnismäßig großem Gesichtsfeld bei einer gleichzeitigen hohen räumlichen Auflösung im Nahinfrarotbereich von 0,85 bis 2,5 Mikrometern abdeckt. HAWK-I wurde am 1. August 2007 in Betrieb genommen und liefert seit 2008 wissenschaftliche Daten.

Das heute von der ESO veröffentlichte Bild entstand durch eine Kombination mehrerer Hundert Einzelaufnahmen. Das von den Wissenschaftlern präsentierte Endergebnis ist das detaillierteste Infrarotmosaik des Carinanebels, welches jemals erstellt wurde, und mit Sicherheit eine der spektakulärsten Aufnahmen, die je mit dem VLT angefertigt wurden.

Auf dem Bild sind nicht nur die massereichen und entsprechend leuchtkräftigen, hellen Sterne zu erkennen, sondern auch Hunderttausende schwächerer Sterne, welche auf vorherigen Aufnahmen dieser Region des Himmels unsichtbar geblieben waren. Somit erfüllt die Aufnahme neben den ästhetischen Gesichtspunkten auch die eigentliche wissenschaftliche Zielsetzung, denn eines der Hauptziele der Astronomen war die Suche nach Sternen in dieser Region, welche wesentlich masseärmer und somit auch lichtschwächer als die Sonne in unserem Sonnensystem sind.

Die Aufnahme verfügt zudem auch über eine genügend große Auflösung, um darauf unter anderem auch junge Braune Zwerge nachweisen zu können. Bei den Braunen Zwergen handelt es sich um eine spezielle Klasse von astronomischen Objekten. Sie verfügen über zu wenig Masse, als dass in ihrem Inneren ein Wasserstoffbrennen einsetzen könnte. Es handelt sich also nicht um „echte Sterne“. Andererseits verfügen sie mit einer Masse von mindestens 13 Jupitermassen wiederum über zu viel Materie, als dass sie als Planeten charakterisiert werden können.

Der bereits anfangs erwähnte Stern Eta Carinae ist auf der Aufnahme in der linken unteren Bildecke zu erkennen. Er ist von Gaswolken umgeben, welche von der starken von dem Stern ausgehenden UV-Strahlung zum Leuchten angeregt werden. Über das gesamte Bild verteilt sind zudem zahlreiche kompakt ausfallende Konzentrationen verschiedener dunkler Materialien zu sehen, welche auch im nahen infraroten Wellenbereich des Lichts undurchsichtig bleiben. In Inneren dieser auch als Globulen bezeichneten „Staubkokons“ bilden sich neue Sterne.

Während der letzten paar Millionen Jahre sind in der Region des Carinanebels unzählige neue Sterne entstanden, welche sich dabei sowohl als Einzelsterne als auch in Form von Sternhaufen gebildet haben. Der helle Sternhaufen nahe der Bildmitte, welcher ebenfalls bereits im sichtbaren Licht gut zu erkennen ist, trägt die Bezeichnung Trumpler 14. Im infraroten Lichtbereich werden allerdings auch dort noch viele weitere Sterne sichtbar.

In der linken Bildhälfte erkennt man außerdem eine kleine Ansammlung gelblich erscheinender Sterne. Diese Sternenformation konnte auf den neuen VLT-Daten erstmalig ausgemacht werden, da diese Sterne im sichtbaren Licht nicht beobachtbar sind. Sie stellen somit ein weiteres hervorragendes Beispiel für all die vielen neuen Objekte dar, welche diese eindrucksvolle Panorama des Carinanebels erstmalig enthüllen konnte.

Verschiedene höhere Auflösungen (bis zu 218 MB) des heute veröffentlichten Bildes finden Sie auf der entsprechenden Internetseite der Europäischen Südsternwarte.

Verwandte Meldungen:

• Der offene Sternhaufen NGC 3324 (1. Februar 2011)
• Der Carinanebel – Eine Geburtsstätte neuer Sterne (16. November 2011)
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Fachartikel:

• Deep wide-field near-infrared survey of the Canina Nebula (engl.)

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: Gemini.

Der Stern wird zusätzlich von einer sehr merkwürdigen Wolke umrundet. Diese Wolke wird Homunculus Nebula genannt. Dieser Nebel soll durch sukzessive Explosionen an der Sternenoberfläche entstanden sein. Dies ist jedoch nur eine Vermutung der Wissenschaftler. Das Gemini-Observatorium hat nun eine Schockwelle von Materialen entdeckt, die sich mit einer Geschwindigkeit von 500 Kilometern pro Sekunde in den interstellaren Raum ausbreitet.

Der Homunculus-Nebel wurde schon jahrelang untersucht und war immer ein Ort vieler Rätsel. Ein neuer Meilenstein wurde jetzt aber erreicht, als Nathan Smith von der Universität in Colorado das PHOENIX-Gerät am Gemini-Südobservatorium verwendete, um den Nebel zu untersuchen. PHOENIX ist eine hochauflösende Infrarotkamera. Mit Hilfe der Spektroskopie konnte Smith die genaue Geometrie, die Struktur und die Geschwindigkeit dieses expandierenden Gases mit Ursprung im Nebel messen. Er kam dabei zu aufschlussreichen Ergebnissen. Es wurde zum Beispiel viel Wasserstoff und Atome von ionisiertem Eisen entdeckt. Auch die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Nebels konnte gemessen werden. Mit 500 Kilometern pro Sekunde expandiert dieser Nebel sehr schnell. Dabei ist der Nebel in zwei Schichten eingeteilt – eine dicke und sehr warme Staubschicht wird von einer kälteren Wasserstoffschicht umrundet. Allein diese Außenschicht hat bereits die Masse von elf Sonnen. Alles nur Gas und Staub, das in den letzten Jahren von der Sternoberfläche weggesprengt wurde. Das Gemini-Observatorium konnte die Dichte dieser Schicht auf 107 Partikel pro Kubikzentimeter beziffern.

Die Struktur dieser Wasserstoff-Emissionen in der äußeren Nebelschicht ist der Grund, warum der Nebel im Allgemeinen so seltsam aussieht. Derzeit sieht der Nebel aus, als ob sich zwei Kreise im Zentrum (welches sich um den Stern befindet) treffen. Das Zentrum ist dabei sehr dicht und im Bild gut erkennbar. Die Kreise hingegen sind teilweise kaum erkennbar und bestehen größtenteils aus Gas und Staub – wie eine Staublinie in Kreisform. Smith glaubt, dass der Großteil dieser Materialen von einer großen Eruption Mitte des 19. Jahrhunderts stammt. Jedoch dürfte der Materialien-Ausstoß nur in den höheren Breiten des Sterns passiert sein.

Wie auch immer! Der Nebel dürfte noch länger Ziel von wissenschaftlichen Untersuchungen sein. Wir werden auch noch viel Überraschendes über diesen Nebel zu hören bekommen.

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