Quelle: DESY 5. Oktober 2023.

5. Oktober 2023 – Mit dem H.E.S.S.-Observatorium in Namibia hat ein internationales Forschungsteam die bislang energiereichsten Gammastrahlen von einem Pulsar entdeckt, einem ausgebrannten, toten Stern. Die registrierte Strahlung hat rund zehn Billionen Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Beobachtung lässt sich nur schwer mit der gängigen Theorie zur Erzeugung solcher gepulsten Gammastrahlung vereinbaren, wie das internationale Team in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ berichtet.

Pulsare sind die übrig gebliebenen Reste von Sternen, die spektakulär in einer Supernova explodiert sind. Die Explosion hinterlässt einen winzigen, toten Stern mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, der extrem schnell rotiert und mit einem enormen Magnetfeld ausgestattet ist. „Diese toten Sterne bestehen fast ausschließlich aus Neutronen und sind unglaublich dicht: Ein Teelöffel ihres Materials wiegt mehr als fünf Milliarden Tonnen, was etwa dem 900-fachen Gewicht der Großen Pyramide von Gizeh entspricht“, erklärt H.E.S.S.-Wissenschaftlerin Emma de Oña Wilhelmi von DESY, Mitautorin der Veröffentlichung.

Wie eine Art kosmische Leuchttürme senden Pulsare kreisende Strahlen ins All. Wenn ihr Strahl über unser Sonnensystem hinwegfegt, sehen wir in regelmäßigen Abständen Strahlungsblitze. Diese Blitze lassen sich bei zahlreichen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beobachten, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Nach der gängigen Theorie stammt die Strahlung von schnellen Elektronen, die von den starken Magnetfeldern des Pulsars beschleunigt und abgelenkt werden. Die Elektronen bewegen sich dabei von der Oberfläche des Pulsars nach außen bis zum Rand seiner Magnetosphäre. „Auf ihrer Reise nach außen nehmen die Elektronen Energie auf und setzen sie in Form der beobachteten Strahlung frei“, sagt Ko-Autor Bronek Rudak vom Astronomischen Zentrum Nikolaus Kopernikus (CAMK PAN) in Polen. Der Bereich, in dem dies geschieht, wird Lichtzylinder genannt.

Der Vela-Pulsar befindet sich am Südhimmel im Sternbild Vela (Segel des Schiffes). Er ist der hellste Pulsar im Radioband des elektromagnetischen Spektrums und die hellste anhaltende Quelle kosmischer Gammastrahlung im Giga-Elektronenvolt-Bereich. Er rotiert etwa elfmal pro Sekunde. Oberhalb einiger Giga-Elektronenvolt (GeV) endet seine Strahlung jedoch abrupt, vermutlich weil die Elektronen das Ende der Magnetosphäre des Pulsars erreichen und aus ihr entweichen.

Doch wie sich nun herausstellte, ist das noch nicht alles: H.E.S.S. hat eine neue Komponente der Strahlung bei noch höheren Energien registriert. Diese kosmischen Gammaquanten besaßen eine Energie von bis zu 20 Tera-Elektronenvolt (TeV). „Das ist etwa 200 Mal energiereicher als sämtliche Strahlung, die bisher von diesem Objekt gemessen wurde“, sagt Ko-Autor Christo Venter von der North-West University in Südafrika. Diese neu entdeckte Komponente tritt synchron zur Strahlung im GeV-Bereich auf. Um diese enormen Energien zu erreichen, müssten die Elektronen jedoch stärker beschleunigt werden als dies eigentlich in der Magnetosphäre möglich ist. Und dabei muss der Rhythmus der Emission intakt bleiben.

„Dieses Ergebnis stellt unser bisheriges Wissen über Pulsare in Frage und erfordert ein Überdenken der Theorie von der Funktionsweise dieser natürlichen Beschleuniger“, sagt Arache Djannati-Atai vom Astroteilchen- und Kosmologie-Labor APC in Frankreich, der die Forschung geleitet hat. „Das traditionelle Schema, wonach die Teilchen entlang der Magnetfeldlinien innerhalb oder leicht außerhalb der Magnetosphäre beschleunigt werden, kann unsere Beobachtungen nicht ausreichend erklären. Vielleicht sind wir Zeugen der Beschleunigung von Teilchen durch die sogenannte magnetische Rekonnexion jenseits des Lichtzylinders, bei dem das Rotationsmuster noch irgendwie erhalten bleibt? Aber selbst dieses Szenario tut sich schwer mit der Erzeugung solch extrem energiereicher Strahlung.“ Die Theoretikerinnen und Theoretiker müssen daher neue Modelle entwickeln.

Wie auch immer die Erzeugung der Strahlung abläuft, hält der Vela-Pulsar neben anderen Superlativen nun offiziell den Rekord als Pulsar mit der energiereichsten Gammastrahlung, die bislang von einem solchen Objekt entdeckt worden ist. „Diese Entdeckung öffnet ein neues Beobachtungsfenster für die Entdeckung anderer Pulsare im Bereich von einigen Dutzend Tera-Elektronenvolt mit aktuellen und zukünftigen empfindlicheren Gammateleskopen und ebnet damit den Weg für ein besseres Verständnis der extremen Beschleunigungsprozesse in stark magnetisierten astrophysikalischen Objekten“, sagt Djannati-Atai.

Über H.E.S.S.
Das High Energy Stereoscopy System (H.E.S.S.) ist eine Anordnung von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Untersuchung kosmischer Gammastrahlen. Das Observatorium wird im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, in einer Region, die für ihre hervorragenden optischen Eigenschaften bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das wesentlich größere fünfte Teleskop mit der Bezeichnung H.E.S.S. II ist seit Juli 2012 in Betrieb und erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. Mehr als 230 Forschende aus 41 Instituten in 15 verschiedenen Ländern sind an H.E.S.S. beteiligt.

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts; The H.E.S.S. collaboration; „Nature Astronomy“, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02052-3, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02052-3.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 2. März 2023.

2. März 2023 – Mit einem zweitägigen Workshop, zugleich ein Kick-off Meeting, haben die Universitäten Mainz und Würzburg die deutsche Beteiligung am NASA-Satelliten COSI vorbereitet. Aus Mainz ist die Gruppe von Prof. Dr. Uwe Oberlack vom Exzellenzcluster PRISMA+ beteiligt, aus Würzburg die Gruppe um den Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

Das Gammastrahlenteleskop mit dem Namen Compton Spectrometer and Imager (COSI) wird die jüngste Geschichte der Sternentstehung, von Sternexplosionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milchstraße untersuchen, die für die Entstehung der Erde selbst entscheidend waren. Es wird vom Space Sciences Laboratory der University of California Berkeley geleitet und soll 2027 als neueste „kleine Astrophysik-Mission“ (Small Explorer) der NASA starten. Im Oktober 2021 hatte die NASA COSI aus 18 eingereichten Vorschlägen als neues Weltraumteleskop ausgewählt.

COSI wird die Gammastrahlung radioaktiver Atome untersuchen, die bei der Explosion massereicher Sterne entstehen, um zu kartieren, wo in der Milchstraße chemische Elemente entstanden sind. Die Mission wird auch den mysteriösen Ursprung der Positronen in unserer Galaxie erforschen, die auch als Antielektronen bekannt sind – subatomare Teilchen, die die gleiche Masse wie Elektronen, aber eine positive Ladung haben. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Suche nach Strahlung, die von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.

Die deutsche Beteiligung an COSI ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert. Besonders interessant an der Mission ist die neue Thematik der „Megaelektronenvolt (MeV)-Gammaastronomie“, denn sie erlaubt die Beobachtung des Himmels in einem Bereich der elektromagnetischen Strahlung, der noch weitgehend unerforscht ist. Frühere Missionen unter führender deutscher Beteiligung, wie das erste Compton-Teleskop COMPTEL auf dem Compton Gamma-ray Observatory der NASA in den 90er-Jahren und das europäische Teleskop INTEGRAL in den letzten 20 Jahren, haben im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Himmelsdurchmusterung nur die hellsten Quellen sehen können. COSI wird hier deutlich empfindlicher.

Dieser Energiebereich ist aber nicht nur wenig erforscht, er ist auch besonders interessant, weil er den Bereich der Energieniveaus in Atomkernen darstellt, die Ruheenergie der Positronen umfasst, sowie die Suche nach Dunkler Materie in einem bisher nicht zugänglichen Bereich ermöglicht. Kürzliche Hinweise auf astrophysikalische Neutrinos könnten auf Quellen hindeuten, die im MeV-Energiebereich sichtbar sein könnten. „COSI wird dutzende Quellen innerhalb und außerhalb der Milchstraße detektieren und dadurch den Weg frei machen für noch größere Weltraumteleskope”, sagt der Würzburger Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

„Die COSI Mission hat vielfältige Anknüpfungspunkte zum Forschungsprogramm von PRISMA+“, erläutert der Mainzer Experimentalphysiker Prof. Dr. Uwe Oberlack. „Einer von ihnen ist das Forschungsfeld der Antimaterie – mit Blick auf die Suche nach galaktischen Positronen -, ein anderer die Suche nach Dunkler Materie. Das ist deshalb spannend, da als Alternative zu schwereren hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie, sogenannten WIMPs, zunehmend auch Teilchen bei leichten Massen im MeV-Bereich als Kandidaten für diese exotische Materieform diskutiert werden. Hier wird COSI ein neues Beobachtungsfenster für die Suche nach Dunkler Materie mit Gammastrahlen öffnen. Auch die Multimessenger-Astronomie im Hinblick auf die Suche nach kosmischen Neutrinos, die wir bei PRISMA+ mit dem IceCube Experiment betreiben, könnte von der neuen Mission profitieren.“

Dr. Thomas Siegert ergänzt: „Der Würzburger Lehrstuhl für Astronomie ist mit seinen vielfältigen Arbeitsgruppen passgenau für dieses Vorhaben aufgestellt. Mit COSI können wir die Jets von Mikroquasaren untersuchen, also Doppelsterne mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch. So stellen wir fest, ob diese Quellen auch große Mengen an Positronen erzeugen. In Würzburg arbeiten wir gemeinsam an Jet-Modellen auf allen Größenskalen — von kleinsten schwarzen Löchern bis hin zu aktiven Galaxienkernen. Des Weiteren interessieren wir uns für die Bildung chemischer Elemente in Sternen und durch Supernovae. Diese kann mittels COSI besonders detailliert untersucht werden, da die radioaktiven Elemente charakteristische Gammastrahlen aussenden, die sich dank COSIs hoher spektraler Auflösung voneinander unterscheiden lassen. So lernen wir, warum die Verteilung der Elemente in der Milchstraße so ist, wie sie ist.“

Beim Workshop in Mainz wurden zunächst die COSI-Kollaboration und der Status der Vorbereitungen zum Beispiel im Hinblick auf die Datenanalyse vorgestellt. Anschließend diskutierten die Teilnehmer die geplanten Arbeitspakete, aktuelle Forschungsfragen und den momentanen Stand der Vorbereitung. Im Ergebnis war es ein sehr guter Start, um das COSI-Team in Deutschland zu formen und die nächsten Schritte abzusprechen. Eines ist jetzt schon klar: Der Start der Mission wird von allen Teilnehmenden mit großer Spannung erwartet.

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• Gammastrahlung

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 13. September 2022.

13. September 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat ein Computerprogramm entwickelt, mit dem sich der Transport kosmischer Strahlung durch das All simulieren lässt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hoffen, so das Rätsel um die Quellen der kosmischen Strahlung lösen zu können. Bislang ist unbekannt, welche Himmelsobjekte die hochenergetische Strahlung aussenden, die aus dem All auf die Erde prasselt. Um experimentelle Daten erklären zu können, braucht es theoretische Modelle; die neue Computersimulation kann diese liefern. Ein Team um Forschende der Ruhr-Universität Bochum (RUB) beschreibt die Software in der Zeitschrift Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, online veröffentlicht am 12.September 2022.

Wie ein gleichmäßig ausgeleuchteter Himmel am Tag
Seit ihrer Entdeckung von 100 Jahren versuchen Forschende zu entschlüsseln, woher die kosmische Strahlung kommt. Das Problem: Von der Erde aus betrachtet sieht sie so aus wie der Himmel bei Tag mit bloßem Auge: Er ist fast überall, wo man hinschaut, gleich hell erleuchtet. Denn das Licht der Sonne wird in der Erdatmosphäre gestreut und verteilt sich gleichmäßig über den gesamten Himmel. Auch die kosmische Strahlung wird auf ihrem Weg zur Erde gestreut – durch Wechselwirkungen mit kosmischen Magnetfeldern. Von der Erde aus ist nur ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu sehen; der Ursprung der Strahlung bleibt verborgen.

Teilchenbahnen von Anfang bis Ende simuliert
„Mit unserem Programm CRPropa ist es möglich, die Bahnen der Teilchen von ihrer Entstehung bis zu ihrer Ankunft auf der Erde nachzuverfolgen – und zwar für alle Energien, die wir von der Erde aus beobachten können“, sagt Julien Dörner, Doktorand an der RUB. „Auch die Wechselwirkung der Teilchen mit Materie und Photonfeldern im Universum können wir vollständig berücksichtigen.“

Dabei kann das Programm nicht nur kosmische Strahlung simulieren, sondern auch Neutrinoteilchen oder Gammastrahlung, die in Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung entstehen. „Diese Botenteilchen sind – anders als die kosmische Strahlung – direkt von ihren Quellen beobachtbar, sie kommen also auf direktem Weg zur Erde“, erklärt Dr. Patrick Reichherzer, Postdoktorand an der RUB. „Mit der Software können wir solche Strahlung von Neutrinos und Gammastrahlung auch aus fremden Galaxien wie Starbursts oder aktiven Galaxien vorhersagen.“

Das vorgestellte Simulationsprogramm ist die umfassendste derzeit existierende Simulationssoftware und ermöglicht neue Forschungswege. „Wir können neue Energiebereiche in der Simulation erschließen, die mit bisherigen Programmen nicht vollständig erfasst werden konnten“, sagt Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert von der Bergischen Universität Wuppertal. „Insbesondere der Übergang von der kosmischen Strahlung aus unserer eigenen Galaxie zu einem Anteil, der aus fremden Galaxien kommt, kann theoretisch beschrieben und mit Beobachtungen verglichen werden.“

Experimentelle Daten sind nur mit theoretischer Hilfe interpretierbar
Das Simulationsprogramm ist in einer internationalen Zusammenarbeit von 17 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entstanden, die in Deutschland, Spanien, den Niederlanden, Italien, Kroatien, England und Österreich forschen. Die RUB ist mit acht Forschenden federführend am Projekt beteiligt. Die Arbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1491 „Das Wechselspiel der kosmischen Materie“ entstanden, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft. SFB-Sprecherin Prof. Dr. Julia Tjus von der RUB betont: „Die Veröffentlichung ist ein großer Schritt, um den Transport und die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung quantitativ in drei Dimensionen zu beschreiben. CRPropa wird signifikant dazu beitragen zu verstehen, woher die kosmische Strahlung kommt. Denn wir benötigen theoretische Berechnungen, die uns helfen, die Vielfalt an Daten, die wir aus dem Kosmos haben, zu interpretieren.“

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert von der „la Caixa“ Foundation (ID 100010434), dem Horizon-2020-Programm der EU (Förderkennzeichen 847648 und 646623), der Radboud Excellence Initiative, dem Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (Grantnummer I 4144-N27), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 1491, Projekte TJ 62/8-1 und KA710/5-1 sowie Exzellenzcluster 2121 Quantum Universe – 390833306), der Russian Science Foundation (Grantnummer 22-11-00063), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Förderkennzeichen 05A20PX1 und 05A20GU2) sowie dem Deutschen Akademischen Austauschdienst und der RUB Research School.

Originalveröffentlichung
Rafael Alves Batista, Julia Becker Tjus et al.: CRPropa 3.2 – an advanced framework for high-energy particle propagation in extragalactic and galactic spaces, in: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2022, DOI: 10.1088/1475-7516/2022/09/035, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035/pdf

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• Kosmische Strahlung

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Quelle: MPIfR.

7. April 2022. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat nun gezeigt, dass auch hochfrequente Gammastrahlung, aufgenommen mit dem Fermi-Teleskop der NASA, für diese Suche genutzt werden kann. Die Verwendung von Gammastrahlen anstelle von Radiowellen ermöglicht einen klareren Blick auf die Pulsare und bietet eine unabhängige und ergänzende Möglichkeit zum Nachweis von Gravitationswellen.

Die Ergebnisse eines internationalen Wissenschaftlerteams, dem auch Aditya Parthasarathy und Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn angehören, werden diese Woche in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Ein Meer von Gravitationswellen

Im Herzen der meisten Galaxien – das sind Ansammlungen von Hunderter Milliarden von Sternen wie unsere eigene Milchstraße – befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Galaxien werden durch ihre heftige Gravitation zueinander hingezogen, und bei ihrer Verschmelzung sinken die zentralen schwarzen Löcher in das neue Zentrum. Wenn diese sich nun spiralförmig nach innen bewegen und selbst miteinander verschmelzen, erzeugen sie extrem langwellige Gravitationswellen mit Hunderten von Billionen von Kilometern oder mehreren Lichtjahren Abstand zwischen den Wellenkämmen. Das Universum ist voll von solchen verschmelzenden supermassereichen schwarzen Löchern, und sie füllen es mit einem Meer von niederfrequenten Raumzeitwellen.

Astronomen suchen seit Jahrzehnten nach diesen Wellen, indem sie die Pulse von Pulsaren, den dichten Überresten massereicher Sterne, systematisch beobachten. Pulsare rotieren mit extremer Regelmäßigkeit, und die Astronomen wissen genau, wann jeder Puls zu erwarten ist. Das Meer der Gravitationswellen verändert jedoch auf subtile Weise den Zeitpunkt, an dem die Impulse die Erde erreichen, und die genaue Beobachtung vieler Pulsare am Himmel kann ihre Anwesenheit aufdecken.

Bei der bisherigen Suche nach diesen Wellen wurden ausschließlich große Radioteleskope eingesetzt, die Radiowellen sammeln und analysieren. Nun hat ein internationales Team von Wissenschaftlern diese winzigen Schwankungen der Raumzeit in Daten der Gammastrahlung gesucht, die über mehr als zehn Jahre mit dem Fermi-Satelliten der NASA aufgenommen wurden. Ihre Analyse zeigt, dass der Nachweis dieser Wellen mit nur wenigen Jahren zusätzlicher Beobachtungen bereits möglich sein könnte.

„Fermi untersucht das Universum mit Gammastrahlen, der energiereichsten Form des Lichts. Wir waren überrascht, wie gut es die Art von Pulsaren aufspürt, die wir für die Suche nach diesen Gravitationswellen benötigen – bisher haben wir mehr als 100 gefunden“, so Matthew Kerr, ein Wissenschaftler am U.S. Naval Research Laboratory in Washington. „Das Fermi-Teleskop und die Gammastrahlen haben einige besondere Eigenschaften, die sie zusammen zu einem sehr mächtigen Werkzeug bei dieser Untersuchung machen.“

Die Ergebnisse der Studie, die von Kerr und Aditya Parthasarathy, einem Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, geleitet wurde, werden in der Fachzeitschrift „Science“ (Ausgabe vom 7. April) veröffentlicht.

Kosmische Uhren

Licht nimmt viele Formen an. Niederfrequente Radiowellen können einige Objekte durchdringen, während hochfrequente Gammastrahlen in energetische Teilchenschauer explodieren, wenn sie auf Materie treffen. Gravitationswellen decken ebenfalls ein breites Spektrum ab, wobei massereichere Objekte tendenziell längere Wellen erzeugen.

Da es unmöglich ist, einen Detektor zu bauen, der groß genug ist, um wellen mit Billionen von Kilometern Wellenlänge aufzuspüren, die von miteinander verschmelzenden supermassereichen schwarzen Löchern erzeugt werden, verwenden die Astronomen in der Natur bereits vorhandene Detektoren in Form sogenannter Pulsar-Timing-Arrays. Dabei handelt es sich um Ansammlungen von Millisekunden-Pulsaren, die sowohl in Radiowellen als auch in Gammastrahlen leuchten und sich jede Sekunde Hunderte von Malen um ihre Achse drehen. Wie Leuchttürme scheinen diese Strahlen regelmäßig zu pulsieren, wenn sie über die Erde hinwegziehen, und wenn sie durch das Meer der Gravitationswellen hindurchgehen, wird ihnen das schwache Grollen entfernter, massereicher schwarzer Löcher aufgeprägt

Einzigartige Messtechnik

Ursprünglich wurden Pulsare mit Hilfe von Radioteleskopen entdeckt, und Pulsar-Timing-Array-Experimente mit Radioteleskopen sind seit fast zwei Jahrzehnten in Betrieb. Die großen Parabolspiegel sind am empfindlichsten für die Auswirkungen von Gravitationswellen, aber interstellare Effekte erschweren die Analyse der Radiodaten. Das Weltall ist größtenteils leer, aber beim Durchqueren der riesigen Entfernung zwischen einem Pulsar und der Erde treffen die Radiowellen immer noch auf viele Elektronen. Ähnlich wie ein Prisma das sichtbare Licht beugt, verbiegen die interstellaren Elektronen die Radiowellen und verändern so ihre Ankunftszeit. Die energiereichen Gammastrahlen werden auf diese Weise nicht beeinflusst, so dass sie eine ergänzende und unabhängige Methode des „Pulsar Timings“ darstellen.

„Die Fermi-Ergebnisse sind bereits 30 % so gut wie die Pulsar-Timing-Arrays im Radiobereich, wenn es darum geht, den Gravitationswellenhintergrund nachzuweisen“, sagt Aditya Parthasarathy. „Wenn wir weitere fünf Jahre lang Pulsardaten sammeln und analysieren, wird das System genauso gut sein, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass wir uns keine Sorgen um all die verirrten Elektronen machen müssen.“

Ein Pulsar-Timing-Array in Gammawellenlängen, das vor dem Start von Fermi nicht vorgesehen war, stellt eine leistungsstarke neue Ergänzung in der Gravitationswellen-Astrophysik dar.

„Der Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds mit Pulsaren ist in Reichweite, bleibt aber schwierig. Eine unabhängige Methode, wie sie hier unerwartet durch Fermi gezeigt wurde, ist eine großartige Neuigkeit, sowohl für die Bestätigung zukünftiger Ergebnisse als auch für die Demonstration von Synergien mit Radioexperimenten“, schließt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“.

Zusätzliche Informationen

Das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop ist eine Kooperation im Bereich der Astrophysik und Teilchenphysik, die vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, geleitet wird. Fermi wurde in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium entwickelt, mit wichtigen Beiträgen von akademischen Einrichtungen und Partnern in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten.

Die FERMI-LAT-Kollaboration umfasst ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Aditya Parthasarathy und Michael Kramer, beide vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Originalveröffentlichung

A Gamma-ray Pulsar Timing Array Constrains the Nanohertz Gravitational Wave Background
The Fermi-LAT Collaboration, Science, 7. April 2022.
DOI: 10.1126/science.abm3231.

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• Gravitationswellen

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Quelle: FAU.

Die Ergebnisse, an denen ein Astrophysiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) beteiligt ist, sind nun im renommierten Fachmagazin Nature Astronomy veröffentlicht worden.

Das Observatorium HAWC in Mexiko hat kosmische Gammastrahlung mit Energien bis zu mindestens 200 Teraelektronenvolt aus der Richtung des so genannten „Cygnus-Kokons“ nachgewiesen. Das ist eine Superblase, die den Geburtsort massereicher Sterne umgibt.

Die Analyse zeigt, dass diese Gammastrahlen von kosmischer Strahlung im Bereich von Petaelektronenvolt erzeugt werden könnten. Die Teilchen der kosmischen Strahlung werden in der im Kokon befindlichen Sternentstehungsregion auf Petaelektronenvolt-Energien beschleunigt. Diese kosmische Strahlung wechselwirkt mit dem Gas in der Region und erzeugt so die beobachtete Gammastrahlung. Die Energieverteilung und der Ort der Gammastrahlen im Kokon sind bei Giga- und Teraelektronenvolt-Energien unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass die Teilchen im Kokon bei verschiedenen Energien unterschiedlich transportiert wurden.

Diese Beobachtungen liefern neue Hinweise zur Entstehung und Entwicklung der kosmischen Strahlung und über die frühere Aktivität in der Superblase. Sie zeigen auch zum ersten Mal, dass kosmische Strahlung im Petaelektronenvolt-Bereich in der Umgebung massereicher Sterne erzeugt wird.

Link zur ausführlichen Pressemeldung der Michigan Techological University:
Not So Fast, Supernova: Highest-energy Cosmic Rays Detected in Star Clusters

Link zum Original-Paper:
HAWC observations of the acceleration of very-high-energy cosmic rays in the Cygnus Cocoon

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• Sternhaufen

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Quelle: MPA.

Ein Großteil der Materie im Universum ist dunkel und nicht direkt beobachtbar. Ein internationales Forscherteam hat nun in der Zeitschrift Nature Simulationen veröffentlicht, bei denen sie mit Hilfe von Supercomputern in China und Europa in eine typische Region eines virtuellen Universums hineinzoomen. Dieser Zoom umfasst eine noch nie dagewesene Detailschärfe, vergleichbar mit einer Vergrößerung, um einen Floh auf der Oberfläche des Vollmondes zu erkennen. Dadurch konnte das Team detaillierte Bilder von Hunderten virtueller Halos aus dunkler Materie erstellen, von den allergrößten bis zu den allerkleinsten, die man in unserem Universum finden dürfte.

Dunkle Materie spielt eine wichtige Rolle in der kosmischen Entwicklung. Galaxien sind gewachsen, als sich Gas abkühlte und im Zentrum riesiger Klumpen dunkler Materie, sogenannten Halos aus dunkler Materie, kondensierte. Im Laufe der kosmischen Entwicklung entkoppelten die Halos von der Hintergrundexpansion des Universums infolge der Anziehungskraft ihrer eigenen dunklen Materie. Astronomen können aus den Eigenschaften der Galaxien und ihrem Gas auf die Struktur großer Halos aus dunkler Materie schließen, aber sie haben keine Informationen über Halos, die zu klein sind, um eine Galaxie zu enthalten.

Die größten Halos aus dunkler Materie im heutigen Universum enthalten riesige Galaxienhaufen, Ansammlungen von Hunderten von hellen Galaxien. Ihre Eigenschaften sind gut untersucht, und sie wiegen über eine Billiarde (10¹⁵) Mal so viel wie unsere Sonne. Andererseits sind die Massen der kleinsten Halos aus dunkler Materie unbekannt. Die Theorie der dunklen Materie, die dem neuen Supercomputer-Zoom zugrunde liegt, lässt vermuten, dass sie eine Masse ähnlich der Erdmasse haben könnten. Solch kleine Halos wären extrem zahlreich und würden einen beträchtlichen Anteil der gesamten dunklen Materie im Universum enthalten, allerdings würden sie während der gesamten kosmischen Geschichte dunkel bleiben, weil Sterne und Galaxien nur in Halos wachsen, die mindestens eine Million Mal massereicher sind als die Sonne.

Das Forschungsteam mit Sitz in China, Deutschland, Großbritannien und den USA hat fünf Jahre lang seinen kosmischen Zoom entwickelt, getestet und durchgeführt. Damit konnten sie die Struktur der Halos aus dunkler Materie mit allen Massen zwischen der Erde und einem großen Galaxienhaufen untersuchen. In Zahlen: Der Zoom deckt einen Massenbereich von 10³⁰ ab (d.h. eine 1 gefolgt von 30 Nullen), was der Anzahl der Kilogramm in der Sonne entspricht.

Überraschenderweise stellten die Astrophysiker fest, dass alle Halos sehr ähnliche innere Strukturen aufweisen: Sie sind im Zentrum sehr dicht, werden nach außen hin zunehmend diffuser und in ihren äußeren Regionen gibt es kleinere Klumpen, die um die Halos kreisen. Ohne einen Maßstab ist es fast unmöglich, das Bild eines Dunkle-Materie-Halos einer massereichen Galaxie von einem Halo mit weniger als einer Sonnenmasse zu unterscheiden. „Unsere Ergebnisse haben uns wirklich überrascht“, sagt Simon White vom MPI für Astrophysik. „Jeder dachte, dass die kleinsten Klumpen dunkler Materie ganz anders aussehen würden als die großen, die wir schon viel besser kennen. Aber als wir nun endlich in der Lage waren, ihre Eigenschaften zu berechnen, sahen sie genau gleich aus.“

Das Ergebnis hat auch eine potenzielle praktische Anwendung. Teilchen aus dunkler Materie könnten nahe den Zentren von Halos kollidieren und sich – einigen Theorien zufolge – gegenseitig vernichten, wobei energiereiche (Gamma-)Strahlung ausgesendet wird. Die neue Zoom-Simulation erlaubt es den Wissenschaftlern zu berechnen, wie stark die zu erwartende Strahlung für Halos unterschiedlicher Masse sein würde. Ein Großteil dieser Strahlung könnte von Halos aus dunkler Materie stammen, die zu klein sind, um Sterne zu enthalten. Zukünftige Gammastrahlen-Observatorien könnten in der Lage sein, diese Emission nachzuweisen und die kleinen Objekte einzeln oder in der Summe „sichtbar“ zu machen. Dies würde die vermutete Natur der dunklen Materie bestätigen, die vielleicht doch nicht ganz dunkel ist!

Originalveröffentlichung
J. Wang, S. Bose, C. S. Frenk, L. Gao, A. Jenkins, V. Springel, S. D. M. White
Universal structure of dark matter haloes over a mass range of 20 orders of magnitude
Nature, 2 September 2020.

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• Dunkle Materie

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Quelle: DESY.

Forscher haben einen rätselhaften Gammastrahlen-„Herzschlag“ aus einer unscheinbaren kosmischen Gaswolke erspäht. Die Wolke im Sternbild Adler pulsiert im Takt mit einem taumelnden Schwarzen Loch in der Nachbarschaft, was eine Verbindung unbekannter Art zwischen den beiden Objekten nahelegt. Das Team um DESY-Humboldt-Fellow Jian Li und Professor Diego F. Torres vom Institut für Weltraumforschung (IEEC-CSIC) in Barcelona stellt seine Beobachtungen im Fachblatt „Nature Astronomy“ vor. Wie das Schwarze Loch den Gamma-Herzschlag in der rund 100 Lichtjahre entfernten Gaswolke genau antreibt, ist unklar.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland, Spanien, China und den USA hatten mehr als zehn Jahre Messdaten des Gamma-Satelliten „Fermi“ der US-Raumfahrtbehörde NASA von der Beobachtung eines sogenannten Mikroquasars genau analysiert. Dieses System mit der Katalognummer SS 433 liegt 15 000 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt in der Milchstraße und besteht aus einem Riesenstern mit rund der 30fachen Masse unserer Sonne und einem Schwarzen Loch mit 10 bis 20 Sonnenmassen. Die beiden Objekte umkreisen einander alle 13 Tage, wobei das Schwarze Loch Materie von dem Stern absaugt.

„Dieses Material sammelt sich auf einer Akkretionsscheibe, bevor es ins Schwarze Loch fällt – ähnlich wie das Wasser im Strudel über dem Badewannenabfluss“, erläutert Li. „Ein Teil der Materie fällt allerdings nicht in das Loch, sondern schießt in zwei gebündelten Strahlen mit hoher Geschwindigkeit nach oben und unten ins All.“ Dieses Phänomen kennen Astronomen von sogenannten Quasaren, aktiven Galaxien mit monströsen Schwarzen Löchern von Millionen Sonnenmassen in ihren Zentren, die solche Materiejets zehntausende Lichtjahre weit in den intergalaktischen Raum hinausschießen. Da SS 433 wie eine verkleinerte Version dieser Quasare aussieht, sprechen die Forscherinnen und Forscher von einem Mikroquasar.

Die schnellen Teilchen und die ultrastarken Magnetfelder in den Jets erzeugen Röntgen- und Gammastrahlung. „Die Akkretionsscheibe liegt nicht genau in der Ebene der Umlaufbahn der beiden Objekte. Sie präzediert, also taumelt, wie ein drehender Kreisel, der schief auf einen Tisch aufgesetzt wurde“, berichtet Torres. „Daher schrauben sich die beiden Jets eher in den umgebenden Raum als sich in einer geraden Linie auszubreiten.“

Die Präzession der Jets aus dem Schwarzen Loch hat eine Periode von 162 Tagen. Die genaue Analyse der Messdaten offenbarte ein Gammastrahlensignal mit derselben Periode an einer Position relativ weit von den Jets entfernt. Es bekam die Katalognummer Fermi J1913+0515 und liegt am Ort einer unscheinbaren Anreicherung von interstellarem Gas. Die übereinstimmende Periode zeigt, dass dieser regelmäßige Gammastrahlen-„Herzschlag“ der Wolke von dem Mikroquasar angetrieben werden muss.

„Eine solche unzweifelhafte Verbindung rein über die Zeitmessung zu finden, rund 100 Lichtjahre vom Mikroquasar entfernt und noch nicht einmal in der Richtung der Jets, ist ebenso unerwartet wie erstaunlich“, betont Li. „Wie das Schwarze Loch allerdings den Herzschlag der Gaswolke antreiben kann, ist uns nicht wirklich klar.“ Ideen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durchaus. Eine direkte periodische Beleuchtung der Wolke durch einen der Jets ist dabei unwahrscheinlich.

Als alternatives Modell hat das Team die Idee untersucht, dass schnelle Protonen (Wasserstoffatomkerne) in den Jets oder in der Nähe des Schwarzen Lochs erzeugt werden und Gammastrahlung produzieren, wenn sie auf die Moleküle der Gaswolke treffen. Solche Protonen könnten auch aus einem Strom schneller Teilchen von der äußeren Kante der Akkretionsscheibe stammen. Wenn dieser Strom die Gaswolke trifft, leuchtet sie im Gammalicht auf. Das würde den rätselhaften „Herzschlag“ erklären. „Von der Energie her könnte der Strom von der Scheibe so kräftig sein wie der von den Jets, und es wird angenommen, dass er zusammen mit dem Rest des Systems präzediert“, erläutert Torres.

Um den rätselhaften Gamma-„Herzschlag“ dieses einzigartigen Systems allerdings genau zu verstehen, sind weitere Beobachtungen und theoretische Analysen nötig, betonen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. „SS 433 verblüfft Beobachter bei allen Frequenzen sowie die Theoretiker gleichermaßen“, sagt Li. „Und er wird auf jeden Fall über Jahre hinaus ein Testfeld für unsere Vorstellungen von der Erzeugung und Ausbreitung Kosmischer Strahlung in der Nähe von Mikroquasaren bieten.“

An der Arbeit waren Forscherinnen und Forscher von DESY, dem Institut für Weltraumforschung ICE in Spanien, der Universität Nanjing und der Sternwarte am purpurnen Berg in China sowie dem Forschungslabor der US-Marine beteiligt.

Originalveröffentlichung:
Gamma-ray heartbeat powered by the microquasar SS 433; Jian Li, Diego Torres , Ruo-Yu Liu, Matthew Kerr, Emma de Oña Wilhelmi, Yang Su; Nature Astronomy, 2020; DOI: 10.1038/s41550-020-1164-6

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• Mikroquasare

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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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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: DESY.

Mit spezialisierten Gammastrahlen-Teleskopen haben Forscherinnen und Forscher überraschende Einblicke in die größten Teilchenbeschleuniger des Universums gewonnen: Die Beschleunigung in diesen sogenannten aktiven Galaxien ist demnach nicht auf die Umgebung ihres zentralen Schwarzen Lochs beschränkt, sondern erstreckt sich tausende von Lichtjahren aus der Galaxie hinaus in die sogenannten Plasma-Jets, die nach oben und unten weit ins All hinausschießen. Diese Beobachtung verändert das Verständnis davon, welche maximalen Energien durch die Beschleunigungsprozesse in den Jets erreicht werden können. Das internationale Team mit mehr als 200 Mitgliedern aus 13 Ländern stellt seine Messungen mit dem H.E.S.S.-Gammastrahlenobservatorium in Namibia im Fachblatt „Nature“ vor. An dieser Arbeit sind insbesondere das französische Forschungszentrum CNRS, das Max-Planck-Institut für Kernphysik und DESY in Deutschland sowie die Universität Innsbruck in Österreich beteiligt.

In den vergangenen Jahren hat die Beobachtung von Röntgen- und Gammastrahlen, also sehr energiereichen Lichtteilchen (Photonen), grundlegend neue Einblicke ins Universum ermöglicht. „Diese Photonen stammen aus Systemen wie den supermassereichen Schwarzen Löchern im Herzen bestimmter Galaxien, die sich Materie einverleiben“, erläutert H.E.S.S.-Wissenschaftler Andrew Taylor von DESY, einer der Hauptautoren der Publikation. „Dort werden Elektronen auf enorme Energien beschleunigt, die in von Menschen gebauten Maschinen unerreichbar sind.“ In diesen aktiven Galaxien ist das zentrale Schwarze Loch von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, in der sich Materie sammelt wie im Strudel eines Badewannenabflusses, bevor sie auf Nimmerwiedersehen hinabstürzt.

Ein kleiner Teil dieser Materie fällt jedoch nicht in das Schwarze Loch, sondern wird vorher abgezweigt und in Form zweier gigantischer Plasma-Jets senkrecht nach oben und unten weit aus der Galaxie hinaus in den Kosmos geschleudert.Die Intensität der von diesen Systemen emittierten Gammastrahlung kann über sehr kurze Zeiträume von bis zu einer Minute variieren, was auf einen sehr kleinräumigen Ursprung der Strahlung nahe dem zentralen Schwarzen Loch hindeutet. Darüber hinaus diskutieren Wissenschaftler den Ursprung der Röntgenemission der Jets, zu deren Erzeugung je nach Szenario eine extreme Beschleunigung von Elektronen nötig ist. Da beschleunigte Elektronen im Plasma-Jet jedoch schnell an Energie verlieren, müssen sie dort kontinuierlich beschleunigt werden, um entlang der gesamten Jets zu existieren.

Mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) beobachteten die Forscherinnen und Forscher die Radiogalaxie Centaurus A mehr als 200 Stunden lang mit unerreichter Auflösung im Gammastrahlenbereich. Radiogalaxien strahlen stark im Frequenzbereich der Radiowellen. „Als die der Erde am nächsten gelegene Radiogalaxie war Centaurus A für eine solche Untersuchung günstig, da sie uns ermöglichte, die Herkunftsregion der sehr hochenergetischen Strahlung entlang der Plasma-Jets zu identifizieren“, sagt der stellvertretende H.E.S.S.-Direktor Mathieu de Naurois vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, ebenfalls einer der Hauptautoren der Publikation.

Auf der Grundlage detaillierter Analysen von Gruppen in Innsbruck und Paris konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich die Quelle der Gammastrahlung tatsächlich über mehrere tausend Lichtjahre erstreckt. Diese ausgedehnte Emission deutet darauf hin, dass die Teilchenbeschleunigung nicht nur in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs stattfindet, sondern auch über die gesamte Länge der Plasma-Jets, wie die beteiligten Gruppen in Heidelberg und Zeuthen bei Berlin dargelegt haben. Die größten Teilchenbeschleuniger im Kosmos sind also noch größer als angenommen.

Die Entdeckung deutet darauf hin, dass vermutlich viele Radiogalaxien mit ausgedehnten Jets Teilchen auf extreme Energien beschleunigen. Damit liefert die Beobachtung auch wichtige neue Informationen für die Debatte über den Ursprung der Röntgenemission. „Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis der großräumigen Jets und bedeutet einen großen Schritt vorwärts für unser Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung insgesamt“, sagt Taylor. „Es ist sehr befriedigend zu sehen, dass sich langfristige Beobachtungsbemühungen wie diese auszahlen. Offensichtlich werden wir nach wie vor von unseren kosmischen Nachbarn überrascht, wenn wir sie anders beobachten.“

Die Ergebnisse dieser Studie erforderten umfangreiche Beobachtungen und optimierte Analysetechniken. Das Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array (CTA), wird eine noch genauere Beobachtung dieses Phänomen ermöglichen. Am H.E.S.S. International Observatory, das aus fünf Teleskopen in Namibia besteht, sind Institute aus dreizehn Ländern beteiligt (Frankreich, Deutschland, Namibia, Südafrika, Irland, Armenien, Polen, Australien, Österreich, Schweden, Grossbritannien, Niederlande und Japan).

Originalveröffentlichung:
Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A; The H.E.S.S. Collaboration; „Nature“, 2020; Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: Universität Innsbruck.

Radiogalaxien gehören zur Klasse von Galaxien mit einem aktiven und hell leuchtenden Zentrum, aus dem riesige, gerichtete Materieströme ausgestoßen werden, die als Jets bezeichnet werden. Als Energiequelle dieser Jets werden extrem massereiche Schwarze Löcher mit der Masse von hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen vermutet. Jets aus aktiven Galaxienkernen können durch den Einfall von Materie auf ein solches supermassives schwarzes Loch erklärt werden. Sie werfen Teilchenströme mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit über Hunderte bis Tausende von Lichtjahren weit ins Weltall. Durch die große Entfernung zu diesen Objekten können ihre Strukturen jedoch nur für die nächsten von ihnen aufgelöst werden.

Im Fall der – auf astronomischen Skalen – nur rund 12 Millionen Lichtjahre entfernten Radiogalaxie Centaurus A, einer der hellsten Galaxien des Südhimmels, wurde der Jet bislang vom Radiobereich bis hin zu Röntgenenergien vermessen. „Am höchstenergetischen Ende des elektromagnetischen Spektrums konnte Centaurus A aber bisher nur als unaufgelöste Punktquelle beobachtet werden“, erklärt Dr. Markus Holler vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck und Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration. Ob die höchstenergetische Gammastrahlung vom Galaxienkern oder aber vom Jet emittiert wird, konnte man daher bis dato nicht feststellen. Hier setzt ein wichtiger Beitrag der Innsbrucker Astrophysiker zur kollaborativen Studie an: Wie kürzlich bei der erfolgreichen Vermessung des Krebsnebels verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe um Univ.-Prof. Olaf Reimer auch für die Untersuchung der Strukturen von Centaurus A eine neuartige Simulationsumgebung. Diese ermöglichte eine weitaus präzisere Analyse der insgesamt über 200 Stunden Beobachtungszeit mit den H.E.S.S.-Teleskopen.

„Die Simulationen, die wir für die Auswertung benötigten, werden üblicherweise vor den Beobachtungen generiert. In unserer Simulationsumgebung gibt es aber für jede Beobachtung in der Analyse eine maßgeschneiderte Simulation“, erklärt Astrophysiker Markus Holler. So ist es gelungen, hochenergetische Gammastrahlung entlang des Jets von Centaurus A nachzuweisen. „Wir können also nicht nur erstmals Centaurus A von einer Punktquelle unterscheiden, sondern sogar die Emission durch ihre Form zum Teil dem Jet zuordnen.” Die gemessene Ausdehnung des Jets von über 2 Winkelminuten (siehe Abbildung) im Gammastrahlenlicht enthüllt dabei ein spannendes Geheimnis: Nämlich die Antwort auf die Frage, wo und wie die höchstenergetische Gammastrahlung von Centaurus A entsteht.

Rückschlüsse auf Teilchenbeschleunigung im Jet
Berücksichtigt man die über andere Messinstrumente – v.a. Radio- und Röntgenstrahlenbeobachtungen – gewonnenen Informationen über Centaurus A sowie die von H.E.S.S. vermessene Emission des Jets in einer Modellierung, so lässt sich letztere nur mit einem extrem effizienten, entlang des Jets verteilten, kontinuierlich operierenden Beschleunigungsmechanismus erklären. „Die alleinige Tatsache, dass Photonen aus dem Jet bis in diesen hochenergetischen Gammastrahlenbereich nachgewiesen werden konnten, setzt dort die Existenz von geladenen Teilchen voraus, die eine Energie von mindestens 10 bis 100 Billionen Elektronenvolt erreichen müssen”, verdeutlicht die Theoretikerin Prof. Anita Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck ein zentrales Ergebnis der Studie. „Inwieweit ähnlich effiziente Teilchenbeschleunigung in den ausgedehnten Jetbereichen auch ein Merkmal anderer aktiver Galaxienkerne ist, die nicht durch extreme Radiohelligkeit wie Centaurus A auffallen, ist eine Frage, die das künftige Cherenkov Telescope Array (CTA) beantworten sollte”, vermutet Prof. Olaf Reimer, der die österreichische Beteiligung an Vorbereitung und Bau des Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums CTA koordiniert. Ob Centaurus A also als generisch für viele weitere Galaxien betrachtet werden kann, wird sich in weiteren Forschungsvorhaben zeigen.

Indirekte Messung von Gammastrahlung
Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt, der von 1931 bis 1937 als Professor an der Universität Innsbruck tätig war. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben. Seit 2009 ist auch Österreich Mitglied, Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck leitet die österreichische H.E.S.S.-Gruppe.

Publikation:
The H.E.S.S. Collaboration: “Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A”

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• H.E.S.S. Teleskope

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Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: LPI. Vertont von Peter Rittinger.

Gammastrahlung ist die höchstenergetische elektromagnetische Strahlung überhaupt. Im Allgemeinen wird sie im Wesentlichen von der Atmosphäre der Erde aufgehalten, so dass sie von der Erde aus kaum direkt zu beobachten ist. Für die Erforschung dieser Strahlung ist man also auf den Einsatz von Weltraumteleskopen angewiesen. Die ersten astronomischen Beobachtungen in diesem Bereich geschahen eher aus Zufall – militärische Satelliten wurden gebaut, um Gammastrahlen aufspüren, die bei Atomwaffentests entsteht. Später wurden dann die ersten speziellen Gammateleskope gebaut.

Aktuell sind mit dem italienischen AGILE und dem amerikanischen Fermi zwei allgemein einsetzbare Gammateleskope im All. Zudem gibt es mit Swift einen Satelliten, der speziell auf die Untersuchung von Gamma-Blitzen ausgelegt ist. Diese sogenannten GRB (Gamma Ray Bursts) entstehen vermutlich vor allem bei Supernova-Explosionen und sind ein sehr gut geeignetes Mittel, um Supernovae oder sonstige extrem hochenergetische Vorgänge aufzuspüren. Diesen Satelliten gemeinsam ist jedoch, dass sie in einigen Jahren das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben werden – es wird also Zeit, einen Nachfolger zu entwickeln.

Dieser könnte Gamma 400 werden. Unter Führung des Physikalischen Lebedew-Instituts der Russischen Akademie der Wissenschaften wird an diesem neuen Satelliten gearbeitet, der im Grundentwurf stark dem Fermi-Satelliten gleicht. Im Vergleich zu den bisher eingesetzten Teleskopen wird sich dieses durch eine bisher unerreichte Präzision sowie einen großen Energiebereich auszeichnen. Gammastrahlung kann aufgrund ihrer Eigenschaften nicht durch klassische Optiken umgelenkt werden – stattdessen muss man darauf hoffen, dass einzelne Gamma-Photonen mit dem Material reagieren. Wenn dies geschieht, kann man mit einem aus vielen Detektorlagen bestehenden Aufbau bestimmen, welche Energie das Photon besitzt und aus welcher Richtung es kommt.

Das abbildende Kalorimeter – das Hauptinstrument von Gamma 400 – kann ein Fünftel des gesamten Himmels auf einmal beobachten. Um die Richtung zu bestimmen, werden Detektorstreifen aus Silizium verwendet. Für die Messung der Energie sollen drei Detektormaterialien verwendet werden: Silizium, Bismutgermanat sowie Cäsiumiodid. Dieser Aufbau erlaubt es, Gammastrahlung im Bereich von 0,1 bis 3.000 Gigaelektronenvolt zu messen (zum Vergleich Fermi: 0,1 bis 300), die Genauigkeit der Energiemessung soll bei etwa 1% liegen (Fermi: 10%). Die Richtung, aus der die Strahlung kommt, soll von Gamma 400 auf 0,01° exakt bestimmt werden, was einen absoluten Bestwert für ein Gammateleskop darstellen wird (Fermi: 0,1°). Zudem wird Gamma 400 als erstes Gammateleskop nebenbei auch noch hochenergetische Teilchenstrahlung erfassen können, und damit auch im Bereich von Instrumenten wie dem AMS auf der Internationalen Raumstation arbeiten.

Insgesamt soll Gamma 400 eine Masse von 2.600 kg besitzen und eine Leistungsaufnahme von 2.000 W aufweisen. Pro Tag soll der Satellit eine Datenmenge von 100 Gigabyte (Fermi: 20 GB) produzieren, die von Wissenschaftlern auf der Erde ausgewertet werden müssen. Während der Mission soll sich Gamma 400 in einer Erdumlaufbahn in rund 100.000 km Entfernung befinden und damit weit außerhalb des irdischen Strahlungsgürtels. Wie bei weiteren russischen Weltraumteleskopen (als erstes davon befindet sich Spektr-R/RadioAstron bereits im Einsatz) auch soll dieser Satellit auf Basis des Navigator-Satellitenbusses entstehen.

Neben dem Hauptinstrument befindet sich an Bord auch noch ein Detektor namens Konus-FG für Gammablitze, der den ganzen Himmel abdecken kann. Ein Vorgänger dafür soll unter dem Namen Konus-M bereits nächstes Jahr auf einem russischen Kleinsatelliten (MKA-PN2) starten. Auch Fermi besitzt ein vergleichbares System. Solche kleinen Detektoren bieten nur eine sehr begrenzte räumliche und energetische Auflösung der Strahlung, reichen aber völlig aus, um den Himmelsbereich zu bestimmen, in dem man die jeweilige Quelle mit anderen Teleskopen beobachten kann.

Ein primäres Ziel ist die Erforschung der dunklen Materie. Vermutlich handelt es sich dabei um nur schwach wechselwirkende, massive Elementarteilchen. Wenn diese doch einmal interagieren, entsteht dabei aufgrund ihrer hohen Masse vermutlich Gammastrahlung. Beobachtungen mit höchster Präzision lassen vermutlich Rückschlüsse darauf zu, auf welchem Weg die Gammastrahlung entsteht und auch auf ihre räumliche Verteilung. Somit kann Gamma 400 möglicherweise eine Art Landkarte der dunklen Materie erstellen.

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• Russische Weltraumteleskope: Die Spektr-Serie

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Ein Beitrag von Gertrud Felber und Günther Glatzel. Quelle: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Diese schwachen Jets werden als geisterhaft bezeichnet und sind eine Nachwirkung von Ereignissen die Jahrmillionen zurückliegen. Sie untermauern Argumente für einen aktiven galaktischen Kern in der relativ jüngeren Vergangenheit der Milchstraße. Die beiden Strahlen, oder Jets, erstrecken sich vom galaktischen Zentrum aus bis in eine Entfernung von 27.000 Lichtjahren oberhalb und unterhalb der galaktischen Ebene. Sie sind die ersten derartigen Gamma-Ray-Jets die jemals gefunden wurden, und die einzigen, die nahe genug sind, um mit Fermi erkannt zu werden.

Die neu entdeckten Strahlen sind Strukturen innerhalb der mysteriösen Gammastrahlen-Blasen, die Fermi im Jahr 2010 erkannt hatte. Diese Blasen dehnen sich auch etwa 27.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße aus, allerdings genau senkrecht zur galaktischen Ebene. Die Gammastrahlen-Jets sind dagegen in einem Winkel von 15 Grad gegen diese Senkrechte geneigt. Dies könnte mit einer Neigung der Akkretionsscheibe um das Supermassive Schwarze Loch (SSL) im Zentrum unserer Galaxie zusammenhängen.

Die beiden Strukturen sind unterschiedlich geformt. Die Jets wurden produziert und verstärkt, wenn Plasma aus dem galaktischen Zentrum spritzte. Sie werden von einem Korkenzieher-ähnliches Magnetfeld eng fokussiert. Die Gammastrahlen-Blasen hingegen wurden wahrscheinlich von einem „Wind“ aus heißer Materie, der von der Akkretionsscheibe ausgeht, also aus der Umgebung des Supermassiven Schwarzen Loches gespeist. Deshalb sind sie viel breiter als die schmalen Strahlen. Beide aber legen nahe, dass unser galaktisches Zentrum in der Vergangenheit sehr viel aktiver als heute war.

Sowohl Jets als auch Blasen werden von inverser Compton-Streuung im Gammastrahlungsbereich illuminiert und dadurch für Fermi sichtbar. Bei diesem Prozess treffen schnelle Elektronen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, auf energiearme Strahlung wie Radiowellen oder infrarotes Licht. Dabei übernehmen die Strahlungs-Photonen Energie von den Elektronen und werden dadurch zu Gamma-Quanten.

Die Entdeckung lässt allerdings offen, wann das SSL zuletzt aktiv war. Douglas Finkbeiner, Co-Autor unter Meng Su, sagte dazu: „Diese Jets flackerten wahrscheinlich immer wieder auf, wenn das Schwarze Loch Materie portionsweise aufnahm“. Für eine erneute aktive Phase des Kerns unserer Galaxie wäre seiner Meinung nach Material von etwa 10.000 Sonnenmassen erforderlich.

Das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ist ein gemeinsames Projekt von Smithsonian Astrophysical Observatory und Harvard College Observatory mit Hauptsitz in Cambridge (Massachussetts, USA). Die Wissenschaftler arbeiten auf unterschiedlichen Gebieten der Astronomie und erforschen Ursprung, Entwicklung und das Schicksal des Universums (ultimate fate of the universe).

Das Gammastrahlenteleskop Fermi (ehemals GLAST für Gamma-ray Large Area Space Telescope) wurde am 11. Juni 2008 gestartet und verfügt über zwei Hauptinstrumente zur großflächigen Erfassung kosmischer Gammastrahlung sowie zur Detektion kurzzeitiger Gammastrahlenausbrüche (Gamma Ray Bursts). Am Teleskop beteiligt sind Organisationen aus den USA, aus Frankreich, Deutschland, Italien, Japan und Schweden.

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• Sagittarius A – Milchstraßenzentrum

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Die Galaxie NGC 3758, auch Markarian 739, hat zwei Galaxienkerne, weil sie durch eine Kollision aus zwei eigenständigen Galaxien entstanden ist. Diese Tatsache ist seit langem bekannt. Ebenso weiß man seit Jahrzehnten, dass der östliche Galaxienkern ein supermassives schwarzes Loch enthält. Sowohl im Bereich des sichtbaren Lichts, als auch im Ulravioletten und bei der Radiostrahlung gab es bisher keine klaren Anzeichen dafür, dass der westliche Kern ebenfalls ein supermassives schwarzes Loch enthält. Dem kam man erst jetzt mit Hilfe von Weltraumteleskopen, die den Bereich harter Röntgen- und Gammastrahlung erforschen, auf die Spur.

NGC 3758 befindet sich im Sternbild Löwe, besitzt eine scheinbare Helligkeit von 14,3 mag und ist von uns etwa 425 Millionen Lichtjahre entfernt. Die beiden supermassiven schwarzen Löcher haben einen Abstand von etwa 11.000 Lichtjahren voneinander. Gewöhnlich verschmelzen auch die Kerne zweier kollidierender Galaxien. Dies kann jedoch, wie auch in diesem Falle, eine Weile dauern.

Das Weltraumteleskop SWIFT ist ein Forschungssatellit der NASA mit internationaler Beteiligung. Hauptaufgabe ist das schnelle Aufspüren sogenannter Gammastrahlungsausbrüche. Damit sollen sich deren Ursprünge auf optisch sichtbare Objekte zurückführen lassen. Dabei kommen nach einer Detektion andere Teleskope im All und auf der Erde zum Einsatz. SWIFT startete am 20. November 2004 ins All und umläuft die Erde auf einer 600-Kilometer-Bahn mit einer Inklination von 22 Grad.

Das Chandra X-ray Observatory wurde bereits 1999 ins All transportiert. Im Unterschied zu SWIFT hat es zwar ein kleineres Gesichtsfeld, mit 0,5 Bogensekunden aber ein deutlich höheres Auflösungsvermögen. Es gehört mit seinen knapp 5 t Masse zu den großen Weltraumobservatorien der NASA (Hubble, Compton, Chandra & Spitzer).

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• SWIFT
• Chandra-Mediengalerie
• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA, MPE. Vertont von Peter Rittinger.

An der Oberseite starker Gewitterregionen ist die elektrische Feldstärke offenbar so groß, dass Elektronen auf Energien beschleunigt werden, die bei deren Abbremsung Gammastrahlung hervorrufen. Durch eine Vielzahl derartiger Ereignisse entstehen regelrechte Gammastrahlungsblitze (Terrestrial Gamma-ray Flash, TGF). Danach können zwei Gammaquanten durch sogenannte Paarbildung aus Energie Elektronen und Positronen erzeugen, ein Beispiel für Einsteins berühmteste Gleichung E = mc².

Elektronen kommen in der Atmosphäre ohnehin vor. Die Positronen dagegen sind Antiteilchen der Elektronen. Treffen sie mit einem Elektron zusammen, so verwandeln sich beide unter bestimmten Bedingungen wieder in Gammaquanten. Dies ist eine besonders energiereiche Form elektromagnetischer Strahlung.

Durch die Messungen mit Fermis Gammastrahlungsmonitor GRM konnten im Weltall, auch tausende Kilometer von der verursachenden Gewitterzone entfernt, Positronen nachgewiesen werden. Sie kollidierten mit dem Satelliten, trafen dabei auf Elektronen und verwandelten beide in Gammastrahlung. Am 14. Dezember 2009 bereits wurde Fermi über Ägypten im Abstand von 23 Millisekunden (0,023 s) zweimal von einem Positronenstrahl getroffen. Dieser stammte von einem Gewitter über Sambia.

„Diese Signale sind die ersten direkten Hinweise darauf, dass Gewitter Antimaterieteilchenstrahlen hervorrufen“, sagte Michael Biggs, ein Mitglied des GRM-Teams der Universität Alabama in Huntsville (USA).

Angenommen wird, dass alle terrestrischen Gammastrahlungsblitze Positronen erzeugen. Man schätzt die Zahl der TGF weltweit auf etwa 500 pro Tag. Fermi hat seit Ende 2008 etwa 130 nachweisen können. „Es ist allerdings immer noch unklar, wie TGFs erzeugt werden und auch, wie klassische Gewitterblitze entstehen“, sagt Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, an dem der Gammastrahlungsmonitor GRM entwickelt wurde. Obwohl Turbulenzen in Gewitterwolken durch Ladungstrennung sehr große Spannungen erzeugen, sind die dabei übertragenen Energien etwa um den Faktor 10 zu klein für die Bildung von Positronen-Elektronen-Paare. Hier ist also noch weitere Forschung vonnöten.

Das weltraumgestützte Gammastrahlenobservatorium Fermi ist ein Gemeinschaftsprojekt verschiedener Institutionen in den USA, in Deutschland, Frankreich, Italien, Japan und Schweden. Von deutscher Seite ist das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching beteiligt. Fermi gelangte am 11. Juni 2008 als GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) ins Weltall und sucht nach einer kurzen Kalibrierungsphase nach Gammastrahlungsemmissionen. Derartige Strahlung wird im All vor allem von Pulsaren, Schwarzen Löchern und binären Systemen großer Masse abgegeben.

Die wissenschaftliche Ausrüstung besteht zum einen aus dem Large Area Telescope, das ca. 16% der Himmelskugel mit einem „Blick“ erfassen kann. Das Aufnahmespektrum umfasst Gammastrahlung im Energiebereich von 30 MeV bis 300 GeV. Strahlungsquellen können mit einer Genauigkeit von einem Sechzigstel Grad festgestellt werden. Zum zweiten befindet sich der Gamma Burst Monitor (GBM) an Bord, der speziell für die Identifizierung von Gammastrahlenausbrüchen konstruiert wurde. Sechzig Tage nach dem erfolgreichen Start bekam der Satellit zu Ehren des Physikers Enrico Fermi seinen offiziellen Namen.

Die wissenschaftlichen Ziele der Mission liegen auf den Gebieten Dunkle Materie, Schwarze Löcher, neue Dimensionen, spezielle Relativitätstheorie, Neutronensterne, Gamma Ray Bursts und neuartigen Wechselwirkungen zwischen energiereichen Photonen.

Raumcon:

• Weltraumteleskop Fermi (ehemals GLAST)

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA/JPL. Vertont von Peter Rittinger.

Die Sonde soll in der tückischen Umgebung Jupiters arbeiten, wo es mehr Strahlenbelastung gibt, als sonstwo in unserem Sonnensystem, sieht man einmal von der näheren Umgebung der Sonne ab. In einem Reinraum bei Lockheed Martin Space Systems in Denver, wo Juno zusammengebaut wird, haben Ingenieure kürzlich eine Elektronikabteilung mit Strahlungsschild montiert, der die empfindliche Elektronik des Raumfahrzeugs schützen soll. Ohne einen entsprechenden Schutzschild würde die Sonde schon bei der allerersten Passage des großen Gasplaneten ausfallen. Deshalb wurde für Unterbringung des Elektronengehirns der Sonde eine tresorartige Lösung gewählt.

Ein mit hochenergetischen Partikeln angereichertes unsichtbares Kraftfeld umgibt den größten Planeten in unserem Sonnensystem. Das Magnetfeld schirmt, ähnlich wie es das der Erde tut, den Planeten gegen geladene Teilchen von der Sonne ab. Elektronen, Protonen und Ionen, die sich um Jupiter herum bewegen, werden durch die schnelle Rotation vdes Planeten mit Energie angereichert, und erreichen Geschwindigkeiten in der Nähe der des Lichtes. Sie bilden Strahlungsgürtel, die Jupiter auf Höhe seines Äquators donutförmig umspannen. Sie reichen über die Umlaufbahnen des Jupitermondes Europa hinaus ins All.

Während seiner auf 15 Monate angesetzten Umrundungen von Jupiter wird Juno eine Strahlenbelastung aushalten müssen, die mehr als 100 Millionen Röntgenaufnahmen bei Zahnarzt entspricht. Deswegen wurde für die zentralen elektronischen Steuergeräte Junos eine Art würfelförmige Bleischürze vorgesehen. Zum Bau des Strahlungsschutzes wurde allerdings kein Blei benutzt, das zu weich ist, um den beim Start des Raumfahrzeuges entstehenden Vibrationen standzuhalten. Andere Materialien, die ebenfalls einen Schutz vor der Strahlung ermöglicht hätten, kamen nicht in Frage, weil sie zu schwierig zu bearbeiten sind. Man entschied sich für rund einen Zentimeter dicke Wände aus Titan.

Das Gehäusematerial hatte man intensiv getestet, um sicherzustellen, dass es den Belastungen eines Raumfluges standhält und die geforderten Abschirmeigenschaften aufweist. Materialproben waren der Gammastrahlung von Kobaltpellets ausgesetzt worden. Das Titangehäuse zum Schutz vor der Strahlung hat etwa die Größe des Kofferraums eines SUVs und eine Masse von rund 200 Kilogramm. Die einzelnen Wandteile haben eine Fläche von je rund einem Quadratmeter, und eine Masse von je rund 18 Kilogramm. Das Gehäuse wird zwar nicht das Eindringen eines jeden Elektrons, Protons oder Ions verhindern, aber doch den Einfluss der Strahlung auf die eingebaute Elektronik erheblich herabsetzen. Teile der Elektronik sind zusätzlich in eigenen kleinen Schutzgehäusen untergebracht, und Teile der Elektronik selbst bestehen aus strahlungsresistentem Tantal oder Wolfram. Eine große Packungsdichte der einzelnen elektronischen Komponenten bildet einen weiteren Schutz, da sie sich gegenseitig abschirmen können. Entsprechend erfolgte ihre Anordnung. Elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Geräten wurden außerdem mit Metallgeflechten aus Kupfer oder Edelstahl versehen.

Am 19. Mai 2010 wurde das Schutzgehäuse auf das Antriebsmodul von Juno gesetzt. Das Gehäuse wird noch einmal intensiv getestet werden, wenn die Sonde vollständig zusammengebaut ist. Die Montage- und Überprüfungsarbeiten dauern vermutlich noch bis in den Frühling 2011 an. Dann will man auch die drei Solarzellenausleger an Juno angebracht haben. Juno ist die erste Sonde in der Geschichte der Raumfahrt, die in der Umgebung Jupiters mit Solarstrom betrieben werden soll. Frühestens Anfang August 2011 soll die Sonde nach den derzeitigen Planungen aufbrechen. Nach dem Start auf einer Atlas-V-Rakete und einem Erdvorbeiflug im Herbst 2013 würde die Sonde im Herbst 2016 Jupiter erreichen, um anschließend insbesondere die Atmosphäre des Planeten und seine Magnet- und Schwerefelder zu untersuchen. Die Wahl von Junos künftiger Umlaufbahn um Jupiter über seine Pole sorgt zusätzlich dafür, dass die Sonde nicht dauerhaft im Bereich der stärksten Strahlenbelastung operieren muss.

Raumcon:

• Jupitermission Juno

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