Quelle: MPE 14. Dezember 2023.

14. Dezember 2023 – Eine neue Himmelskarte des eROSITA-Teleskops zeigt Röntgenstrahlen, die von Millionen Grad heißem Plasma in und um die Milchstraße emittiert werden. Bei der Analyse dieser Daten stellte das Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik fest, dass das sehr heiße, ionisierte Gas eine Verteilung ähnlich der stellaren Scheibe aufweist, möglicherweise eingebettet in einen viel größeren kugelförmigen Halo. Damit wissen die Forschenden nun mehr über Form und Größe eines großen Teils des zirkumgalaktischen Mediums der Milchstraße, das ein großes Gasreservoir für die zukünftige Sternentstehung darstellt.

Sterne entstehen aus Gas in einem endlosen Prozess, der sich sowohl aus ursprünglicher kosmischer Materie als auch von recyceltem Gas früherer Sterngenerationen speist. In Spiralgalaxien wie der Milchstraße gibt es jedoch einfach zu viele Sterne und nicht genug sichtbares Gas, um das derzeitige Niveau der Sternentstehung über lange Zeit aufrechtzuerhalten. Daher gehen die Astronomen davon aus, dass ein großes Gasreservoir über die gesamte Galaxie existiert, dessen Größe möglicherweise zehnmal so groß ist wie der Durchmesser der Sternscheibe.

Details über Form, Größe und Menge an Materie in diesem so genannten zirkumgalaktischen Medium sind jedoch noch umstritten – sie sind durch Beobachtungen nur schlecht zu erfassen. Klar ist, dass das Gas im zirkumgalaktischen Medium bisher weder mit optischen noch mit IR- oder Radioteleskopen nachgewiesen werden konnte. Daher muss das meiste Gas im zirkumgalaktischen Medium sehr heiß sein (etwa eine Million Grad) und eine sehr geringe Dichte aufweisen (weniger als 1000 Teilchen pro Kubikmeter). Aufgrund dieser hohen Temperaturen müsste das Gas Röntgenstrahlung aussenden, die aber wegen der geringen Dichte sehr schwach sein muss – schwächer als das, was bisher beobachtet werden konnte. Ein deutliches Merkmal, das die Existenz eines solch dünnen, heißen Gases bestätigt, sind Emissionslinien hochionisierter Sauerstoffatome (zum Beispiel die O VIII-Atomlinie), die im Röntgenlicht zu beobachten sind.

Das eROSITA-Teleskop, das vollständig am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) gebaut wurde, hat nun zum ersten Mal den Himmel nach weicher Röntgenstrahlung abgesucht. Die daraus resultierende Karte der gesamten westlichen galaktischen Hemisphäre wurde am MPE erstellt und überprüft. „Die Karte zeigt nicht nur, dass um uns herum überall heißes Gas existiert, sondern liefert auch genügend Details, um seine Struktur viel genauer zu erforschen als je zuvor“, sagt Xueying Zheng vom MPE, deren Arbeit die Grundlage für die Analyse der Verteilung des heißen Plasmas bildet.

„Wir sehen die O VIII-Emission aus allen Richtungen des weichen Röntgenhimmels“, unterstreicht Nicola Locatelli, der die eROSITA-Datenanalyse am MPE leitete. „Dies bestätigt die diffuse Beschaffenheit des heißen Gases, und wir können jetzt sogar untersuchen, wie es sich um uns herum verteilt.“

Das Team am MPE fand insbesondere heraus, dass die Geometrie des Gases durch zwei Komponenten beschrieben werden kann: einen sehr großen, mehr oder weniger kugelförmigen Halo und eine nähere Komponente, die der stellaren Scheibe ähnelt. Der heiße Halo ist etwa viermal so groß (bis zu ~100 Kiloparsec) wie die optische Größe der Milchstraße, und die nahe Komponente reicht bis zur Größe der sogenannten „dicken Scheibe“ (etwa 7 kpc mit einer Höhe von 1 kpc). Aufgrund seines enormen Volumens umfasst der heiße Halo den größten Teil der Masse – aber die nähere scheibenförmige Komponente erzeugt die meisten der von eROSITA beobachteten Photonen, sie ist etwa zehnmal heller als der Halo.

Im Prinzip lässt sich die hohe Temperatur des Gases durch die Energie erklären, die durch Supernova-Explosionen aus der Scheibe der Milchstraße in das zirkumgalaktische Medium injiziert wird. In einem alternativen Szenario wird Rohmaterial aus noch weiter entfernten Regionen, dem so genannten intergalaktischen Medium, zugeführt. Dieses wird während des Einfalls erhitzt und bildet so den sphärischen Halo.

Ein wichtiger Aspekt dieser neuen Studie ist die Entfernung, in der der größte Teil der Strahlung beobachtet wird, nämlich einige Kiloparsec von der Sonne entfernt. Diese relative Nähe spricht für das Szenario der Supernova-Explosionen als Ursprung des heißen Gases. Dies bestätigt auch Theorien zur Galaxienentwicklung, wonach das Gas in der Sternscheibe selbst recycelt wird. In Kürze werden hochmoderne Röntgenspektrographen in der Lage sein, die Radialgeschwindigkeit dieses Gases zu bestimmen. Sie können so die Kartierung der Gesamtgeometrie des heißen Gases ergänzen und die Modelle für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien weiter verfeinern. Das MPE wird dank des künftigen Athena-Instruments weiterhin eine entscheidende Rolle bei der Lösung dieser Aufgabe spielen.

Originalveröffentlichungen:
Broadband maps of eROSITA and their comparison with theROSAT survey
Xueying Zheng, Gabriele Ponti, Michael Freyberg, Jeremy Sanders, Nicola Locatelli, Andrea Merloni, Andy Strong, Manami Sasaki, Johan Comparat, Werner Becker, Juergen Kerp, Chandreyee Maitra, Teng Liu, Peter Predehl, Konstantina Anastasopoulou, Georg Lamer
A&A, accepted
doi.org/10.1051/0004-6361/202346576
https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202346576

Locatelli, N. ; Ponti, G. ; Zheng, X. ; Merloni, A. ; Becker, W. ; Comparat, J. ; Dennerl, K. ; Freyberg, M. J. ; Sasaki, M. ; Yeung, M. C. H.
The warm-hot circumgalactic medium of the Milky Way as seen by eROSITA
A&A, accepted
dx.doi.org/10.48550/arXiv.2310.10715
https://arxiv.org/abs/2310.10715
pdf: https://arxiv.org/pdf/2310.10715

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 3. Mai 2023.

3. Mai 2023 – Als Edwin Hubble in den 1920er Jahren entfernte Galaxien beobachtete, machte er eine bahnbrechende Entdeckung: Das Universum dehnt sich immer weiter aus. Erst 1998 fanden Wissenschaftler durch die Beobachtung von Supernovae des Typs Ia schließlich heraus, dass sogar eine Phase der beschleunigten Expansion begonnen hat. „Um diese Beschleunigung zu erklären, brauchen wir eine Quelle“, sagt Joe Mohr, Astrophysiker an der LMU. „Und diese Quelle bezeichnen wir als „Dunkle Energie“.“ Sie liefert eine Art „Antischwerkraft“ zur Beschleunigung der kosmischen Expansion. Wissenschaftlich betrachtet ist die Existenz der Dunklen Energie und der kosmischen Beschleunigung durchaus überraschend, deutet sie doch darauf hin, dass unser derzeitiges Verständnis der Physik entweder unvollständig oder falsch ist. Welche Bedeutung die Entdeckung der sich beschleunigenden Expansion hat, zeigt der 2011 verliehene Nobelpreis für Physik. „Die Natur der Dunklen Energie ist längst zum nächsten Nobelpreisproblem geworden“, sagt Mohr.

Nun hat I-Non Chiu von der National Cheng Kung University in Taiwan gemeinsam mit den LMU-Astrophysikern Matthias Klein, Sebastian Bocquet und Joe Mohr eine erste Untersuchung der Dunklen Energie mit Hilfe des Röntgenteleskops eRosita veröffentlicht, im Focus stehen dabei die Galaxienhaufen im Universum.

Die von der Dunklen Energie möglicherweise verursachte Antigravitation drückt Materie auseinander und verhindert die Bildung großer kosmischer Objekte, die sich sonst aufgrund der anziehenden Wirkung der Gravitation bilden würden. Die Dunkle Energie beeinflusst somit auch, wo und wie die größten Objekte im Universum entstehen, die „Galaxienhaufen“ mit einer Gesamtmasse von 10¹³ bis 10¹⁵ Sonnenmassen. „Wir können viel über die Natur der Dunklen Energie lernen, wenn wir die Anzahl der im Universum gebildeten Galaxienhaufen als Funktion der Zeit – oder in der Beobachtungswelt als Funktion der Rotverschiebung – zählen“, erklärt Klein.

Allerdings sind Galaxienhaufen extrem selten und schwer zu finden, was Durchmusterungen eines großen Teils des Himmels mit den empfindlichsten Teleskopen der Welt erfordert. Zu diesem Zweck startete im Jahr 2019 das eROSITA-Röntgenteleskop unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in München, es durchmustert seitdem den Himmel auf der Suche nach Galaxienhaufen. In der sogenannten eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS), einer Mini-Durchmusterung, die der Leistungsüberprüfung der folgenden All-Sky-Durchmusterung diente, wurden zunächst rund 500 Galaxienhaufen nachgewiesen. Es ist eine der größten Stichprobe massearmer Galaxienhaufen. Sie deckt die letzten 10 Jahrmilliarden in der kosmischen Entwicklung ab.

Chiu und seine Kollegen nutzten für ihre Untersuchung nicht nur die eFEDS Daten, sondern zusätzlich einen weiteren Datensatz, nämlich die optischen Daten des sogenannten Hyper-Suprime-Cam Subaru Strategic Program, das von Taiwan, Japan und Princeton University geleitet wird. Der ehemalige LMU Doktorand I-Non Chiu und seine LMU-Kollegen nutzten diese Daten, um die Galaxienhaufen in eFEDS zu charakterisieren und ihre Massen mithilfe des schwachen Gravitationslinseneffektes zu messen. Die Kombination beider Datensätze ermöglichte die erste kosmologische Studie mit Galaxienhaufen, die von eROSITA entdeckt wurden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Dunkle Energie nach dem Vergleich zwischen den Daten und den theoretischen Vorhersagen 76 Prozent der gesamten Energiedichte im Universum ausmacht. Außerdem ergaben die Berechnungen, dass die Energiedichte der Dunklen Energie gleichmäßig im Raum und konstant in der Zeit zu sein scheint. „Unsere Ergebnisse stimmen gut mit anderen unabhängigen Ansätzen überein, wie zum Beispiel früheren Untersuchungen von Galaxienhaufen sowie solchen, die schwache Gravitationslinsen und den kosmischen Mikrowellenhintergrund verwenden“, sagt Bocquet. Bislang deuten alle Beobachtungsergebnisse, einschließlich der jüngsten Ergebnisse von eFEDS, darauf hin, dass die Dunkle Energie durch eine einfache Konstante beschrieben werden kann, die gewöhnlich als „kosmologische Konstante“ bezeichnet wird.

„Die derzeitigen Fehler bei der Bestimmung der Dunklen Energie sind zwar immer noch größer, als wir es uns wünschen würden, aber bislang nutzt unsere eFEDS-Stichprobe auch nur einen Bereich von weniger als 1 Prozent des gesamten Himmels“, sagt Mohr. Die erste Analyse könnte somit eine gute Grundlage für künftige Studien der eROSITA-Stichprobe für den gesamten Himmel sowie für andere Haufenproben bieten.

Originalpublikation:
I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr, Sebastian Bocquet. Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023
doi.org/10.1093/mnras/stad957
https://academic.oup.com/mnras/article/522/2/1601/7110415

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• Dunkle Energie

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 31. Januar 2023.

31. Januar 2023 – Bei der Analyse von Daten aus dem eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ haben Forschende am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) eine schwache Röntgenquelle gefunden, die sie als sehr weit entfernten Quasar identifizieren konnten. Dies ist die bisher am weitesten entfernte zufällige Röntgendetektion. Das supermassereiche Schwarze Loch akkretiert mit einer extrem hohen Rate Materie; damit ist der Quasar für seine enorme Entfernung – mit einer Rotverschiebung von z = 6,56 – sehr viel heller als erwartet. Sein vor fast 13 Milliarden Jahren abgestrahltes Licht ermöglicht es den Astronominnen und Astronomen, das Wachstum von Schwarzen Löchern im frühen Universum zu untersuchen.

Supermassereiche Schwarze Löcher in Zentren von Galaxien lassen sich auch auf große Entfernungen nachweisen – aber nur, wenn sie Materie ansammeln, die sich erhitzt und hell leuchtet. Dadurch bekommt das Galaxienzentrum einen „aktiven galaktischen Kern“ (AGN). Diese so genannten „Quasare“, oder quasi-stellaren Objekte, überstrahlen dann den Rest ihrer Galaxie. Sie leuchten im Röntgenbereich heller als alle anderen Objekte im Universum, sind aber bei großen Entfernungen dennoch schwer zu entdecken und extrem selten. Bisher wurden bei Rotverschiebungen von z > 5,7 – als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war – erst etwa 50 Quasare mit Röntgenteleskopen entdeckt.

Bei der Analyse von Röntgendaten des eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ (eFEDS), die während der Leistungsüberprüfungsphase des eROSITA-Teleskops im Jahr 2019 aufgenommen wurden, fand das eROSITA-Team eine neue Punktquelle. In einer Zusammenarbeit mit Kollegen vom Subaru-Teleskop identifizierten sie das Röntgenlicht als den bereits bekannten Quasar J0921+0007. Dieser war ursprünglich mit einer Rotverschiebung von 6,56 von einer Forschungsgruppe entdeckt worden, die mit Subaru nach entfernten Quellen suchte. Gezielte Folgebeobachtungen bei Infrarotwellenlängen zeigten nun, dass das Schwarze Loch eine Masse von 250 Millionen Sonnen hat – relativ wenig für ein supermassereiches Schwarzes Loch in dieser Entfernung. Weitere Folgebeobachtungen mit dem Röntgensatelliten Chandra bestätigten die von eROSITA gemessene hohe Leuchtkraft, die auf eine sehr hohe Akkretionsrate hinweist.

„Wir haben nicht erwartet, einen aktiven Galaxienkern mit so geringer Masse bereits in unserer ersten Mini-Durchmusterung mit eROSITA zu finden“, sagt Julien Wolf, der im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPE in den eROSITA-Daten nach weit entfernten supermassereichen Schwarzen Löchern sucht. „Es ist der bisher am weitesten entfernte zufällige Fund im Röntgenbereich. Zudem sind seine Eigenschaften eher untypisch für Quasare bei so hohen Rotverschiebungen: Er ist im sichtbaren Licht sehr schwach, gleichzeitig aber sehr leuchtstark im Röntgenlicht.“

Der von eROSITA aufgespürte Quasar weist Eigenschaften auf, die einer besonderen Klasse von sogenannten Seyfert-1-Galaxien im lokalen Universum ähneln. Diese besitzen supermassereiche Schwarze Löcher von unter 100 Millionen Sonnenmassen in ihren Zentren und akkretieren Materie mit hoher Geschwindigkeit. Diese Seyfert-1-Galaxien könnten daher jünger als ihre massereicheren Geschwister sein.

„Die Suche nach seltenen Objekten wie diesem erfordert Astronomie bei vielen unterschiedlichen Wellenlängen, die eROSITAs großes Blickfeld im Röntgenbereich ergänzen“, betont Mara Salvato, Sprecherin von eROSITA. „Glücklicherweise ist der größte Teil des Himmels bei optischen und infraroten Wellenlängen bereits kartiert, und gerade die Daten des Subaru-Teleskopes reichen für das eFEDS-Feld besonders tief und damit in die jüngsten Zeiten des Universums zurück.“

Die meisten aktiven Galaxien mit hohen Rotverschiebungen, das heißt in großen Entfernungen, beherbergen Schwarze Löcher von einer bis zehn Milliarden Sonnenmassen. Es sollte jedoch auch viele entfernte AGNs mit weniger massereichen Schwarzen Löchern geben. Damit Teleskope und Satelliten sie überhaupt beobachten können, müssen diese dann allerdings sehr schnell Materie ansammeln, um hell genug zu leuchten.

Zusätzlich zu ihrem Zufallsfund entdeckte das Team noch einen weiteren hellen und ähnlich weit entfernten Quasar im selben Beobachtungsfeld. „eROSITA eignet sich besonders gut dafür, seltene Röntgenobjekte wie diesen leistungsstarken Quasar mit hoher Rotverschiebung, zu finden und zu kartieren“, sagt Kirpal Nandra, Direktor für Hochenergiephysik am MPE. „Dies ist nun das zweite derartige Objekt, das wir in eFEDS gefunden haben, obwohl wir sie in diesem Feld gar nicht erwartet hatten.“

Die ersten eROSITA-Daten sind nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Basierend auf diesen ersten Entdeckungen erwarten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass sie mit der eROSITA Himmelsdurchmusterung Hunderte von Quasaren finden könnten. Um diese schwer fassbare Population noch unbekannter entfernter Quasare zu finden, hat das Team ein umfangreiches Programm zur Analyse der eROSITA-Himmelsdurchmusterung entwickelt. Diese führte bereits zur Entdeckung von fünf neuen, im Röntgenlicht leuchtenden Quasaren bei z>5,6, die bald in einer weiteren Veröffentlichung vorgestellt werden. Gleichzeitig meldete ein russisches Forscherteam die ersten eROSITA-Entdeckungen bei hoher Rotverschiebung in der nördlichen Hemisphäre.

Objekte wie diese sind derzeit die beste Möglichkeit, die Entstehung Schwarzer Löcher in frühen Universum zu verstehen. Sollten sich die überraschenden eFEDS-Entdeckungen in einem größeren Datensatz bestätigen, könnte dies eine Herausforderung für einige evolutionäre Modelle darstellen.

Publikation:
X-ray emission from a rapidly accreting narrow-line Seyfert 1 galaxy at z=6.56
J. Wolf, K. Nandra, M. Salvato, et al.
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44688-22/aa44688-22.html

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 12. Januar 2023.

12. Januar 2023 – Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) haben in der eROSITA-Himmelsdurchmusterung ein spektakuläres, sich wiederholendes Ereignis entdeckt. Im Zentrum einer ansonsten unscheinbaren Galaxie ereignen sich regelmäßig alle 220 Tage helle Röntgenausbrüche. Diese deuten auf einen Stern, der das dort befindliche massereiche Schwarze Loch umkreist und dabei in regelmäßigen Umläufen „füttert“. Solche Ereignisse könnten wirksame Mittel sein, um die Akkretionsprozesse und das Gravitationsfeld um supermassereiche Schwarze Löcher in anderen Galaxien zu erforschen.

Die meisten Galaxien im Universum beherbergen ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Beobachtungen deuten auf ein symbiotisches Wachstum dieser Schwarzen Löcher und deren Wirtsgalaxien hin. Diese Studien konzentrieren sich hauptsächlich auf „aktive“ Galaxien, in denen das zentrale Schwarze Loch ständig große Mengen an Materie ansammelt. Diese heizt sich auf und leuchtet sehr hell. Aktive Galaxien (oder Galaxien mit „aktiven galaktischen Kernen“, AGN) sind jedoch eine Minderheit gegenüber ruhigen Galaxien. Bei diesen ist es viel schwieriger die Eigenschaften des supermassereichen schwarzen Lochs im Kern zu untersuchen.

Gelegentlich kommt es vor, dass ein Stern zu nahe an das zentrale Schwarze Loch einer Galaxie wandert und durch dessen starke Gezeitenkräfte zerrissen wird (engl: „tidal disruption event“). Ein Teil der Materie des Sterns fällt in das Schwarze Loch und erhöht damit die „Fütterungsrate“ des Gravitationsmonsters vorübergehend. Diesen Prozess können Astronomen als kurzzeitige helle Blitze im Röntgen- und UV-Bereich beobachten. Derartige Ereignisse treten in einer gewöhnlichen Galaxie nur etwa alle 10.000 Jahre auf und sind damit sehr selten. Die meisten bisher beobachteten Kandidaten waren einmalige Ereignisse, die aufgrund der Zerstörung des Sterns einen einzigen Ausbruch zeigten. In jüngster Zeit wurden nun einige veränderliche Ereignisse entdeckt, die periodische oder sich wiederholende Ausbrüche zeigen. Diese könnten auf Sterne zurückzuführen sein, die ihre erste Begegnung glücklicherweise überleben: Anstatt vollständig zerstört zu werden, umkreist der Überrest das supermassereiche Schwarze Loch, wobei er Teile seiner äußeren Schichten verliert und das Schwarze Loch bei jeder Passage erneut füttert.

„Solche sich wiederholenden, teilweisen Zerstörungen könnten ein effektives Mittel sein, um den Akkretionsprozess um supermassereiche Schwarze Löcher zu erforschen“, betont Zhu Liu, der Hauptautor der Studie am MPE. „Mit Hilfe von eROSITA haben wir jetzt eine faszinierende veränderliche Quelle gefunden, bei der sich der Röntgenausbruch in einer ansonsten ruhigen Galaxie regelmäßig wiederholt.“

Während der Durchmusterung des gesamten Himmels beobachtet das eROSITA-Röntgenteleskop jeden Punkt am Himmel mehrfach und hat dabei energiereiche veränderliche Quellen in Galaxien entdeckt, die keine Anzeichen früherer Aktivität in ihren Zentren aufwiesen. Die neue Quelle, J0456-20, die im Februar 2021 entdeckt wurde, befindet sich in einer ruhigen Galaxie, die etwa 1 Milliarde Lichtjahre entfernt ist. Sie ist eine Röntgenquelle mit einer der höchsten Variabilitäten, die von eROSITA beobachtet wurden; innerhalb einer Woche nimmt der Röntgenfluss um den Faktor 100 ab. Insgesamt beobachteten die Astronomen drei vollständige Zyklen der Quelle, bei der sich die Röntgenausbrüche in einem Zeitraum von etwa 220 Tagen wiederholten. Nachfolgende optische Beobachtungen zeigten eine normale ruhige Galaxie, während die wiederholten Röntgeneruptionen stark auf eine sich wiederholende, teilweise Gezeitenstörung hindeuten.

„Wir schätzen, dass der Stern, der das Schwarze Loch umkreist, beim ersten, zweiten und dritten Zyklus jeweils nur eine Masse verloren hat, die 5 %, 1,5 % und 0,5 % unserer Sonne entspräche“, erklärt Adam Malyali, Postdoc am MPE. „Diese Werte sind so niedrig, dass der Stern tatsächlich mehrere Annäherungen an das zentrale Schwarze Loch überleben könnte.“

Mithilfe einer Kooperation mit den ATCA-Teleskopen in Australien konnte das Team zudem veränderliche Radioemission bei der Quelle J0456-20 nachweisen, welche ein deutlicher Hinweis auf einen Ausfluss von Gas darstellt. Zusammen mit dem charakteristischen Verlauf der Röntgenstrahlung ergeben sich damit zwingende Hinweise auf Veränderungen in der Struktur der Akkretionsscheibe um das supermassereiche Schwarze Loch.

„Weitere Beobachtungen sind notwendig, um die genauen Details der physikalischen Prozesse zu ergründen“, sagt Andrea Merloni, der wissenschaftliche Leiter von eROSITA. „Dennoch liefert die Entdeckung dieses sich wiederholenden Röntgenereignisses bereits jetzt einen soliden Beweis dafür, dass es Sterne gibt, die eng um supermassereiche Schwarze Löcher jenseits unserer eigenen Milchstraße kreisen. Diese könnten ein ideales Labor sein, um die Allgemeine Relativitätstheorie in sehr starken Gravitationsfeldern zu testen.“

eROSITA hat bereits andere sich wiederholende Röntgenquellen gefunden, z.B. zwei quasi-periodische Eruptionen in AGN. Für die Zukunft erwartet das Team weitere Entdeckungen mit eROSITA, aber auch mit dem Ende 2023 startenden „Einstein Probe“-Satelliten.

Originalveröffentlichung
Zhu Liu, A. Malyali, M. Krumpe et al.
Deciphering the extreme X-ray variability of the nuclear transient eRASSt J045650.3
A&A, 669, A75, doi.org/10.1051/0004-6361/202244805,
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44805-22/aa44805-22.html.

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• Schwarze Löcher
• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)
• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: ESA 12. Januar 2023.

12. Januar 2023 – Zwei Astronomenteams haben mit dem ESA-Weltraumteleskop XMM-Newton wiederholte Lichtausbrüche von inaktiven Schwarzen Löchern beobachtet, die immer wieder Sterne teilweise zerstören. Diese Entdeckung ist überraschend, da Ausbrüche von Schwarzen Löchern normalerweise nur einmal auftreten, wenn ein Schwarzes Loch einen Stern verschlingt.

Supermassive Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien. Ihre Masse reicht vom Hunderttausend- bis zum Milliardenfachen der Masse unserer Sonne. Trotzdem sind Schwarze Löcher schwer zu untersuchen und bleiben geheimnisvoll, da sie Licht einfangen und nur schwer zu entdecken sind.

Ein verstecktes supermassereiches Schwarzes Loch kann aufgedeckt werden, wenn ein Stern auf seiner Umlaufbahn zu nahe an das Schwarze Loch herankommt. Der Stern wird durch starke Gezeitenkräfte auseinandergerissen und bildet eine Scheibe aus Sterntrümmern, von der sich das Schwarze Loch ernährt. Während dieses Vorgangs, der als Tidal Disruption Event (TDE, Gezeitenstörungsereignis) bezeichnet wird, können energiereiche Röntgen-, UV-, optische und Radiostrahlung nachgewiesen werden.

Nicht komplett zerstört
Typische Gezeitenstörungsereignisse zeichnen sich durch einen hellen Lichtausbruch aus, der als „Flare“ bezeichnet wird. Er dauert einige Monate an, während derer das Schwarze Loch den Stern verschlingt. Mit XMM-Newton wurden jedoch zwei neue Flares mit eigenartigem Verhalten beobachtet. Diese Flares leuchten nach dem ersten Ausbruch wiederholt hell im Röntgen- und UV-Licht, was darauf hindeutet, dass die Sterne bei der ersten Begegnung mit den Schwarzen Löchern nicht vollständig zerstört wurden.

Die von den Astronomen Thomas Wevers von der Europäischen Südsternwarte und Zhu Liu vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik geleiteten Studien zeigen, dass ein Teil der Sterne den ersten Angriff der schwarzen Löcher überlebt haben könnte. Die Röntgen- und UV-Daten deuten darauf hin, dass Teile der Sterne nicht vollständig verschlungen werden. Sie setzen ihre Umlaufbahn fort und treffen erneut auf das zerstörerische Schwarze Loch, was zu wiederkehrenden Flares führt. Diese Aktivität wird als partielles Gezeitenstörungsereignis bezeichnet.

Die Forschenden fanden wiederholte Flares in zwei verschiedenen Galaxien, die supermassive schwarze Löcher beherbergen. Diese Galaxien liegen weit außerhalb der Milchstraße in Entfernungen von fast 900 Millionen Lichtjahren und einer Milliarde Lichtjahren.

Eines der erneuten Helligkeitsereignisse mit der Bezeichnung eRASSt J045650.3-203750 wurde vom Röntgenteleskop eROSITA an Bord der Mission Spectrum-Roentgen-Gamma entdeckt. XMM-Newton-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022, die von einem Team unter der Leitung von Zhu Liu durchgeführt wurden, ergaben, dass auf den ursprünglichen Flare wiederholte Ausbrüche etwa alle 223 Tage folgten.

Zhu Liu erklärt: „Die Ergebnisse unserer ersten XMM-Newton-Beobachtung waren überraschend. Das Schwarze Loch zeigte eine ungewöhnlich starke Abschwächung des Röntgenlichts im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als es zwei Wochen zuvor vom eROSITA-Teleskop entdeckt worden war. Nachfolgende Beobachtungen mit XMM-Newton und anderen Instrumenten bestätigten unsere Vermutungen, dass dieses Verhalten durch ein partielles Gezeitenstörungsereignis verursacht wurde.“

Das andere Gezeitenstörungsereignis mit der Bezeichnung AT2018fyk wurde vom All-Sky Automated Survey for Supernovae-Projekt entdeckt. Sie leuchtete mindestens 500 Tage lang hell im UV- und Röntgenbereich, gefolgt von einer plötzlichen Abschwächung. Im Mai 2022 untersuchten Thomas Wevers und sein Team mit XMM-Newton einen starken Anstieg der Röntgen- und UV-Helligkeit 1200 Tage nach seinem ersten Auftreten.

Zurück auf Start
„Zunächst waren wir völlig verunsichert, was die Aufhellung bedeuten könnte. Wir mussten praktisch nochmal von vorn anfangen, um alle möglichen Erklärungen für das beobachtete Verhalten zu prüfen. Es war ein sehr aufregender Moment, als wir erkannten, dass das Modell eines sich wiederholenden Gezeitenstörungsereignisses die beobachteten Daten reproduzieren konnte“, fügt Wever hinzu.

Insgesamt wurden über fünf Tage lang Beobachtungen mit XMM-Newton durchgeführt, um die Veränderung des Röntgenlichts dieser Quellen zu verfolgen. Die extrem empfindliche European Photon Imaging Camera an Bord von XMM-Newton half dabei, das heiße Material, das die Schwarzen Löcher umgibt, im Detail zu untersuchen.

William Alston, ESA Research Fellow, erläutert die Bedeutung der Ergebnisse: „Diese neuen Beobachtungen sind unglaublich interessant für die Untersuchung des Einflusses supermassereicher Schwarzer Löcher. Bei typischen Gezeitenstörungsereignissen erwarten wir erst in einigen tausend Jahren einen zweiten Flare. Da sich die Flares so schnell wiederholen, muss die Umlaufbahn des zerstörten Sterns eng an das supermassereiche Schwarze Loch gebunden gewesen sein. Diese neuen Studien deuten darauf hin, dass der zerstörte Stern in eine enge Umlaufbahn gezogen wird, nachdem er durch das zentrale supermassereiche Schwarze Loch aus einem Doppelsternsystem herausgerissen wurde.“

Die Teams, die die neue Entdeckung gemacht haben, sind weltweit verteilt – neben XMM-Newton und eROSITA sind an den Studien auch andere Missionen beteiligt, darunter das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, das Australia Telescope Compact Array (ATCA) und die Nutzlast der Neutron Star Interior Composition Explorer Mission auf der Internationalen Raumstation. Die Zusammenarbeit ermöglichte es, diese beispiellosen kosmischen Ereignisse zu beobachten, zu modellieren und bis ins kleinste Detail zu verstehen.

Gewöhnlich dunkel und ruhig
Einige Galaxien sind ständig aktiv und stoßen Flares aus, da das supermassive Schwarze Loch ständig gasförmige Materie in seine Umlaufbahn zieht. Die beiden neuen von XMM-Newton beobachteten Ereignisse stammen jedoch von Schwarzen Löchern, die normalerweise dunkel und ruhig sind, bis sich ein Stern nähert. Es ist das erste Mal, dass mit diesen beiden Ereignissen wiederholte Lichtausbrüche aus inaktiven Galaxien nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Studien werden in zwei Artikeln in Astronomy & Astrophysics und The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Seit ihrer Entdeckung in den 1990er Jahren wurden fast 100 Ereignisse von Gezeitenstörungen beobachtet. Die XMM-Newton-Beobachtungen von Gezeitenstörungsereignissen sind entscheidend, um mehr über die ansonsten schwer zu beobachtenden supermassereichen Schwarzen Löcher zu erfahren, die im Zentrum großer Galaxien wie der unseren liegen.

Beide partiellen Gezeitenstörungsereignissen werden während der vorhergesagten Zeiträume künftiger Aufhellungsepisoden genau beobachtet, um die Ergebnisse zu bestätigen und weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Es kann sein, dass die Beobachter mit Stille konfrontiert werden, was darauf hindeutet, dass der Stern in der vorangegangenen Episode mit Flares völlig verschluckt wurde. Diesen Ereignissen stehen turbulente Zeiten bevor – und die Jagd nach ähnlichen partiellen Gezeitenstörungsereignissen beginnt.

Publikationen:
‚Live to die another day: the rebrightening of AT2018fyk as a repeating partial tidal disruption event‘ von T. Wevers et al. wird in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Vorabdruck: https://arxiv.org/abs/2209.07538

‘Deciphering the extreme X-ray variability of the nuclear transient eRASSt J045650.3−203750 : A likely repeating partial tidal disruption event’ von Z. Liu et al. wurde zur Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics angenommen: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44805-22/aa44805-22.html

Die Ergebnisse des Teams wurden auf einer Pressekonferenz der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft (AAS) am Donnerstag, den 12. Januar 2023, vorgestellt.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: FAU 11. Mai 2022.

11. Mai 2022 – „Dabei kam uns auch der Zufall zu Hilfe“, erklärt Ole König vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg, der gemeinsam mit dem FAU-Astrophysiker Prof. Dr. Jörn Wilms und dem Forschungsteam bestehend aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, der Eberhard Karls Universität Tübingen, der Universitat Politécnica de Catalunya in Barcelona und dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam in der renommierten Fachzeitschrift Nature über die Beobachtung berichtet. „Solche Röntgenblitze lassen sich kaum vorhersagen, dauern nur wenige Stunden und das Beobachtungsinstrument muss in dieser Zeit auf den Ausbruch zielen“, schildert der Astrophysiker die Zusammenhänge.

Bei diesem Instrument handelt es sich um das eROSITA-Röntgen-Teleskop, das eineinhalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt seit 2019 den Himmel nach weichen Röntgenstrahlen durchmustert. Dabei wurde am 7. Juli 2020 starke Röntgenstrahlung in einem Bereich des Himmels gemessen, der vier Stunden vorher noch völlig unauffällig gewesen war. Als das Röntgen-Teleskop vier Stunden später die gleiche Stelle am Himmel erneut musterte, war diese Strahlung wieder verschwunden. Weniger als acht Stunden hatte der Röntgenblitz also gedauert, der vorher das Zentrum des Detektors völlig überbelichtet hatte.

Solche Röntgen-Ausbrüche hatten theoretische Überlegungen bereits vor mehr als 30 Jahren vorgesagt. Sie waren bisher aber noch nie direkt beobachtet worden. Diese Feuerbälle aus Röntgenstrahlen entstehen auf der Oberfläche von Sternen, die eine ähnliche Größe wie unsere Sonne hatten, bevor sie ihre Brennstoffvorräte aus Wasserstoff und später aus Helium tief in ihrem Inneren weitgehend verbraucht hatten. Diese alten Sterne schrumpfen sehr stark zusammen, bis ein „Weißer Zwerg“ übrigbleibt, der ähnlich groß wie die Erde ist, aber eine Masse enthält, die ähnlich groß wie unsere Sonne sein kann. „Diese Verhältnisse kann man sich an einem Beispiel gut vorstellen“, erklärt Jörn Wilms: „Stellt man sich die Sonne in der Größe eines Apfels vor, hätte die Erde die Dimension eines Stecknadelkopfes, der in zehn Metern Entfernung um den Apfel kreist.“

Sterne in Form eines Edelsteins
Verkleinert man wiederum einen Apfel auf die Größe eines Stecknadelkopfes, behält dieses winzige Teilchen das vergleichsweise riesige Gewicht des Apfels. „Ein Teelöffel Materie aus dem Inneren eines Weißen Zwergs hat daher leicht die Masse eines Lastkraftwagens“, erklärt Jörn Wilms weiter. Weil diese ausgebrannten Sterne hauptsächlich aus Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen, ähneln sie einem ebenfalls aus Kohlenstoff bestehenden riesigen Diamanten, der die Größe der Erde hat und im Weltraum schwebt. Diese Objekte in Form eines Edelsteins sind zwar immer noch heiß und leuchten daher weiß. Nur ist diese Strahlung schwach und lässt sich daher von der Erde aus gesehen kaum entdecken.

Es sei denn, der alte Stern wird von einem Stern begleitet, in dem das Sonnenfeuer noch brennt und von dem dann Material auf ihn übergehen kann. „Dieser Wasserstoff kann sich mit der Zeit zu einer nur wenige Meter dicken Schicht auf der Oberfläche der Sternenleiche sammeln“, erklärt FAU-Astrophysiker Jörn Wilms. In dieser Schicht aber erzeugt die riesige Schwerkraft einen gigantischen Druck, der so groß werden kann, dass dort das Sternenfeuer wieder zündet. In einer Kettenreaktion entsteht rasch eine riesige Explosion, in der die Wasserstoffschicht wieder abgesprengt wird. Die Röntgenstrahlung einer solchen Explosion hat dann am 7. Juli 2020 die Detektoren von eROSITA getroffen und überbelichtet.

„Mit Modellrechnungen, mit denen wir ursprünglich die Entwicklung des Röntgen-Instruments begleitet hatten, konnten wir dann in einer aufwändigen Arbeit das eigentlich überbelichtete Bild genauer analysieren und so erstmals einen Blick hinter die Kulissen einer solchen „Nova“ genannten Explosion eines Weißen Zwergs werfen“, schildert Jörn Wilms die weitere Forschung. Nach diesen Ergebnissen sollte der Weiße Zwerg ungefähr die Masse unserer Sonne haben und damit relativ groß sein. Bei der Explosion entstand ein 327.000 Grad heißer Feuerball, der damit rund sechzigmal wärmer als unsere Sonne war.

Weil bei solchen Novae der Energie-Nachschub fehlt, kühlen sie rasch aus, und die Röntgenstrahlung wird weicher, bis sie schließlich zu sichtbarem Licht wird, das einen halben Tag nach der eROSITA-Entdeckung auch die Erde erreichte und mit optischen Teleskopen beobachtet wurde. „Es tauchte dann ein scheinbar heller Stern auf, der sogar mit dem Auge sichtbar war“, erklärt Ole König. Solche scheinbaren „neuen Sterne“ wurden auch früher schon beobachtet und wegen ihres unverhofften Auftauchens „Nova Stella“ genannt, was „neuer Stern“ bedeutet. Weil diese Nova aber erst nach dem Röntgenblitz sichtbar wird, ist eine Vorhersage für solche Ausbrüche sehr schwierig, die daher eher zufällig die Röntgen-Detektoren treffen. „Da hatten wir wirklich Glück“, freut sich Ole König.

Originalpublikation
Ole König, Jörn Wilms, Riccardo Arcodia, Thomas Dauser, Konrad Dennerl, Victor Doroshenko, Frank Haberl, Steven Hämmerich, Christian Kirsch, Ingo Kreykenbohm, Maximilian Lorenz, Adam Malyali, Andrea Merloni, Arne Rau, Thomas Rauch, Gloria Sala, Axel Schwope, Valery Suleimanov, Philipp Weber & Klaus Werner: X-ray detection of a nova in the fireball phase
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04635-y

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• Weisse Zwerge

Der Beitrag Explosion auf einem Weißen Zwerg direkt beobachtet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching.

3. März 2022 – Der Empfehlung folgend, die Zusammenarbeit mit Russland auszusetzen, wurde eROSITA während des Bodenkontakts am Samstag, den 26. Februar 2022, in einen sicheren Zustand versetzt. Der wissenschaftliche Betrieb des Instruments wird derzeit pausiert. SRG/eROSITA hat bisher vier von acht geplanten Durchgängen zur Durchmusterung des gesamten Himmels abgeschlossen. Wir hoffen, dass die Umstände eine baldige Rückkehr zum normalen Betrieb erlauben. Die Analyse der vorhandenen deutschen eROSITA-Daten durch das vom MPE geleitete Konsortium geht davon unbeeinträchtigt weiter.

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

Der Beitrag MPE: Zum aktuellen Status des eROSITA-Instruments erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

28. Januar 2022 – Im Juli 2020, kurz nach dem Start seiner zweiten Himmelsdurchmusterung, entdeckte das eROSITA-Röntgenteleskop an Bord des Weltraumobservatoriums SRG eine neue Quelle an einer Position, an der bisher keine Röntgenstrahlen nachgewiesen wurden. Als die Astrophysiker daraufhin die Datenbank der optischen Veränderlichen überprüften, stellte sich heraus, dass etwa vierzig Tage zuvor die „Zwicky Transient Facility“ (ZTF) und das „Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System“ (ATLAS) an derselben Stelle eine scheinbar gewöhnliche, optische Veränderliche mit der Bezeichnung AT2020mrf registriert hatten. Diese wurde zunächst als Supernova vom Typ II eingestuft, also als massereicher Stern, der am Ende seines Lebens kollabiert. Diese ursprüngliche Klassifizierung änderte sich jedoch grundlegend durch die eROSITA-Entdeckung der Röntgenemission und die Form der optischen Lichtkurve der Quelle. Es wurde klar, dass die Astrophysiker auf ein noch interessanteres Objekt gestoßen waren.

Es gibt eine Klasse optischer Veränderlicher, die mit Supernova-Explosionen in Verbindung gebracht werden und die sich durch schnelle Lichtkurven und zu viel Blau in ihren Spektren auszeichnen, die so genannten „Fast Blue Optical Transients“ (FBOTs). Da ihre Helligkeit schnell abfällt, kann man sie nur schwer untersuchen. Allerdings gibt es darunter eine geheimnisvolle und seltene Unterklasse, die sogenannten AT2018cow-ähnlichen Objekte. Die Namen der von der ATLAS-Anlage entdeckten optischen Transienten (daher die Buchstaben „AT“ im Namen) werden nach dem Jahr der Entdeckung (in diesem Fall 2018) benannt, gefolgt von einer Kombination aus mehreren Buchstaben, die von einem Computer generiert werden. In diesem Fall bildeten die Buchstaben zufällig das englische Wort „cow“ – daher nennen die Astronomen diese Klasse nun „Kuh“-ähnliche Objekte. Vor der Entdeckung von SRGe J154754.2+443907 waren nur vier solcher Objekte bekannt; die SRG/eROSITA-Quelle war Nummer fünf.

„Kühe“ zeichnen sich durch eine rekordverdächtige Leuchtkraft aus (bis zu10⁴³ erg/s in der Spitze), die etwa 1000-mal heller ist als eine gewöhnliche Supernova vom Typ II. Eine solche Leuchtkraft kann nicht durch den Zerfall von radioaktivem Nickel-56 erklärt werden und erfordert eine alternative Energiequelle.

SRGe J154754.2+443907 wurde vom eROSITA-Team bei der Suche nach Ereignissen entdeckt, bei denen ein Stern durch die Gezeitenkräfte eines supermassereichen Schwarzen Lochs zerstört wird. Bald wurde jedoch klar, dass die Forscher es mit etwas Anderem zu tun hatten. Sie lösten daraufhin eine Beobachtungskampagne mit Teleskopen vom Radio- bis zum Röntgenbereich aus, um die neue Quelle bei weiteren Wellenlängen zu untersuchen. Dies bestätigte, dass SRGe J154754.2+443907 das fünfte „Kuh“-artige Objekt ist. An den Multiwellenlängenbeobachtungen waren das 10-Meter-Keck-Teleskop, die Radioteleskope VLA und GMRT sowie die Röntgen-Weltraumobservatorien Chandra, XMM-Newton und Swift beteiligt. Das Programm wurde von einem Doktoranden des Caltech, Yuhan Yao, koordiniert.

Das eROSITA-Teleskop beobachtete dieses Objekt kurz nach dem Höhepunkt der Lichtkurve. Diese Beobachtungen haben gezeigt, dass AT2020mrf/SRGe J154754.2+443907 die hellste bekannte „Kuh“ ist, mit einer Leuchtkraft von über ~2 x 10⁴³ erg/s. Eine solche Leuchtkraft könnte von einem jungen, schnell rotierenden Neutronenstern (mit einer Periode von etwa 10 Millisekunden) mit einem Magnetfeld in der Größenordnung von 10¹⁴ Gauß stammen – einem so genannten Magnetar – oder auch von einem neu entstandenen Schwarzen Loch erzeugt werden, das Material des Vorgängersterns im superkritischen Bereich akkretiert. In jedem Fall haben die Wissenschaftler die Geburt eines relativistischen, kompakten Objekts durch die Explosion eines massereichen Sterns beobachtet.

Die neue „Kuh“ ist bereits verblasst, während viele Fragen noch unbeantwortet bleiben. Um die Natur dieser Quellen zu klären und die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die ihr Verhalten bestimmen, müssen die Wissenschaftler weitere Objekte dieser Klasse finden und im Detail untersuchen. Die laufende SRG/eROSITA-Durchmusterung des gesamten Himmels wird einen wichtigen Beitrag zu dieser Arbeit leisten.

Originalveröffentlichung
Yuhan Yao, Anna Y. Q. Ho, Pavel Medvedev, Nayana A. J., Daniel A. Perley, S. R. Kulkarni, Poonam Chandra, Sergey Sazonov, Marat Gilfanov, Georgii Khorunzhev, David K. Khatami, Rashid Sunyaev
The X-ray and Radio Loud Fast Blue Optical Transient AT2020mrf: Implications for an Emerging Class of Engine-Driven Massive Star Explosions
submitted to ApJ
https://arxiv.org/abs/2112.00751
pdf: https://arxiv.org/pdf/2112.00751

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

Der Beitrag Leuchtende „Kuh“: SRG/eROSITA entdeckt die Röntgenemission erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

Astronomen haben in der ersten vollständigen Himmelskarte des Röntgenteleskops eROSITA an Bord des SRG-Observatoriums eine auffallende Entdeckung gemacht: eine riesige kreisrunde Struktur aus heißem Gas unterhalb der Milchstraßenebene, die den größten Teil des südlichen Himmels einnimmt. Eine ähnliche Struktur am Nordhimmel, der sogenannte „Nordpolar-Sporn“, ist seit langem bekannt und man nahm an, dass er von einer frühen Supernova-Explosion stammte. Zusammengenommen scheinen die nördliche und die südliche Struktur stattdessen beide aus dem galaktischen Zentrum auszutreten und erinnern in ihrer Form an eine Sanduhr. An der FAU sind die Gruppen für Multiwellenlängenastronomie von Prof. Dr. Manami Sasaki und für Röntgenastronomie von Prof. Dr. Jörn Wilms der Dr. Karl Remeis Sternwarte des Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) an der eROSITA-Mission beteiligt. Die Remeis-Sternwarte leistet einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften und des Ursprungs der eROSITA-Blasen.

„Dank seiner Empfindlichkeit sowie Energie- und Winkelauflösung kann eROSITA den gesamten Röntgenhimmel mit bisher unerreichter Tiefe kartieren und so auch die südliche Blase eindeutig nachweisen“, erklärt Michael Freyberg, der als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) schon viele Jahre an eROSITA arbeitet. Das Röntgenteleskop durchmustert alle sechs Monate den gesamten Himmel, und die Daten ermöglichen es den Wissenschaftlern, nach großräumigen Strukturen zu suchen. Die Röntgenemission, die von eROSITA beobachtet wird, zeigt dass die Blasen eine Ausdehnung von mehreren Kiloparsec, oder bis zu 50.000 Lichtjahren, im Durchmesser haben, und damit fast so groß sind wie die Milchstraße selbst.

Diese ‚eROSITA-Blasen‘ zeigen auffallende morphologische Ähnlichkeiten mit den bereits bekannten ‚Fermi-Blasen‘, die das Fermi-Teleskop im Bereich der Gammastrahlen entdeckte, sie sind aber größer und energiereicher. „Die scharfen Grenzflächen dieser Blasen laufen höchstwahrscheinlich entlang von Schockwellen, die durch einen massiven Energieeintrag aus dem Innern unserer Galaxie in den galaktischen Halo verursacht wurden“, führt Peter Predehl aus, der Erstautor des Nature-Artikels. „Solch eine Erklärung wurde bereits früher für die Fermi-Blasen vorgeschlagen; mit eROSITA ist jetzt ihr volles Ausmaß und ihre Morphologie offensichtlich geworden.“ Diese Entdeckung wird den Astronomen helfen, den kosmischen Kreislauf der Materie in und um die Milchstraße und andere Galaxien zu verstehen.

Der größte Teil der gewöhnlichen, baryonischen Materie im Universum ist für unsere Augen unsichtbar; alle Sterne und Galaxien, die wir mit optischen Teleskopen beobachten, machen weniger als 10% ihrer Gesamtmasse aus. Man nimmt an, dass sich riesige Mengen unbeobachteter baryonischer Materie in den Halos mit geringer Dichte befinden, die die Galaxien und die Filamente im kosmischen Netz wie Kokons umgeben. Diese Halos sind heiß, mit einer Temperatur von Millionen von Grad, und daher nur für Teleskope sichtbar, die energiereiche Strahlung nachweisen können.

Die Blasen, die eROSITA jetzt gefunden hat, zeigen Störungen in dieser heißen Gashülle um unsere Milchstraße auf, die entweder durch eine Periode intensiver Sternentstehung oder durch einen Ausbruch aus dem supermassereichen Schwarzen Loch im galaktischen Zentrum verursacht wurden. Auch wenn das Schwarze Loch sich jetzt ruhig verhält, könnte es in der Vergangenheit durchaus aktiv gewesen sein, ähnlich wie man es bei aktiven Galaxienkernen (AGN) mit stark wachsenden Schwarzen Löchern in fernen Galaxien beobachten kann.

In beiden Fällen muss die Energie, die für die Entstehung dieser riesigen Blasen nötig ist, enorm gewesen sein. „Die Narben, die solche Ausbrüche hinterlassen, brauchen sehr lange, um in diesen Halos zu heilen“, fügt eROSITA-Projektwissenschaftler Andrea Merloni hinzu. „Die Wissenschaftler haben lange und bei vielen Galaxien nach den gigantischen Signaturen solch gewalttätiger Aktivitäten in der Vergangenheit gesucht.“ Die eROSITA-Blasen liefern jetzt ein starkes Indiz für großräumige Wechselwirkungen zwischen einem Galaxienkern und dem Halo um die Galaxie. Diese Prozesse sind dabei energiereich genug, um die Struktur, den Energiegehalt und die chemische Anreicherung des zirkumgalaktischen Mediums der Milchstraße zu stören.

„eROSITA schließt derzeit die zweite Durchmusterung des gesamten Himmels ab und verdoppelt damit die Anzahl der Röntgenphotonen, die von den entdeckten Blasen kommen“, betont Rashid Sunyaev, wissenschaftlicher Leiter des SRG-Observatoriums in Russland. „Wir haben noch enorm viel Arbeit vor uns, denn die eROSITA-Daten ermöglichen es uns, viele Röntgen-Spektrallinien zu identifizieren, die von dem hoch ionisierten Gas emittiert werden. Das bedeutet, dass wir nicht nur die Fülle der chemischen Elemente, den Grad ihrer Ionisierung, die Dichte und Temperatur des emittierenden Gases in den Blasen untersuchen können, sondern wir können auch die Orte der Schockwellen identifizieren und charakteristische Zeitskalen abschätzen.“

Informationen zur eROSITA-Mission bei der FAU:
Kosmischen Giganten auf der Spur
Beeindruckender Blick in den Himmel

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• DLR: Der größte Schock unserer Heimatgalaxie (9. Dezember 2020)

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

Der Beitrag eROSITA: Großräumige Strukturen aus heißem Gas erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

Sie ist fast so groß wie die gesamte Milchstraße, kreisrund und absolut außergewöhnlich – so könnte man die Struktur beschreiben, die Forscher bei der ersten kompletten Himmelsdurchmusterung mit dem deutschen Röntgenteleskop eROSITA an Bord der russischen Raumsonde Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG) am Südhimmel entdeckt haben. Gemeinsam mit einer ähnlichen Struktur am Nordhimmel – der sogenannte „Nordpolar-Sporn“ – erinnern beide Blasen an eine überdimensionale, galaktische Sanduhr. Eigentlich dachten Forscher, diese nördliche Erscheinung, die schon 1993 mit dem deutschen ROSAT-Röntgenteleskop kartiert wurde, stamme von einer frühen Supernova-Explosion. Doch zusammengenommen scheinen die nördliche und die südliche Struktur stattdessen beide aus dem galaktischen Zentrum auszutreten. „Die wahrscheinlichste Erklärung für diese enormen Gebilde ist, dass vor einigen zehn Millionen Jahren unfassbar viel Energie aus dem galaktischen Zentrum in die heiße Gashülle (Halo) um unsere Galaxie ausgestoßen wurde, was eine schnelle, große Schockwelle ausgelöst hat. Welches Ereignis dahinter steckt, ist noch nicht ganz geklärt. Möglicherweise handelte es sich um einen Ausbruch des Schwarzen Lochs, um das unsere Milchstraße kreist. Wenn große Mengen Materie eingesaugt werden, kommt es zu diesen gewalttätigen Eruptionen. Es kann aber auch sein, dass dieses Ereignis auf eine intensive Phase der Sternenentstehung zurückzuführen ist“, erklärt Dr. Thomas Mernik, eROSITA-Projektleiter im Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), mit dessen Unterstützung eROSITA vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) gebaut wurde. Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Forschungsarbeit wurden am 9. Dezember 2020 im Fachmagazin Nature Astronomy veröffentlicht.

Energie von 100.000 Sternenexplosionen
Schon vor zehn Jahren sorgte die Entdeckung ähnlicher Blasen durch das US-amerikanische Weltraumteleskop Fermi für Furore. Diese Strukturen – Fermi-Blasen genannt – sind etwa halb so groß wie die eROSITA-Blasen und im höherenergetischeren Gamma-Bereich sichtbar. Das Funktionsprinzip ist vermutlich das gleiche. Wahrscheinlich sind beide Phänomene sogar Ausdruck desselben unterliegenden Mechanismus: Damit sie entstehen können, muss extrem viel Energie freigesetzt werden. Sie entspricht etwa 100.000 Sternenexplosionen. Das bedeutet, dass das Zentrum unserer Milchstraße in der Vergangenheit nicht immer ein so ruhiger Ort war wie heutzutage. Tatsächlich kann man bei anderen Galaxien durchaus beobachten, dass ihre Zentren äußerst aktiv sind – man spricht hier von Aktiven Galaxienkernen. Bei ihnen sieht man gewaltige Ströme von Plasma (Jets) die entlang ihrer Drehachse in das intergalaktische Medium ausgeschleudert werden.

Galaktische Teilchenbeschleuniger
„Diese Schockwellen wirken wie Teilchenbeschleuniger und katapultieren Elektronen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Wenn diese Plasmaausstöße auf die umliegende Halo der Milchstraße treffen, erzeugen sie dort Störungen in der gleichmäßigen Struktur. Da Halos eine Temperatur von Millionen von Grad haben, kann man sie jedoch nur mit einem Röntgenteleskop wie eROSITA sichtbar machen“, erklärt Mernik. Die vom deutschen Röntgenteleskop gelieferten Daten ermöglichen nun einen Blick in die wilde Vergangenheit der Milchstraße. Doch vieles bleibt noch Ungewiss. Weitere Erkenntnisse erhoffen sich die Forscher von den noch folgenden Himmelsdurchmusterungen. Denn die eROSITA-Bubbles wurden während der allerersten von insgesamt acht Surveys entdeckt.

Mit jeder weiteren Himmelsdurchmusterung werden die Wissenschaftler mehr Informationen sammeln. Insbesondere die Spektren von Teilbereichen dieser Gebilde werden es ermöglichen, die Fülle der chemischen Elemente, den Grad ihrer Ionisierung und die Dichte und Temperatur des Gases in den Blasen präziser untersuchen zu können. Die Forscher können damit auch die Position der Schockwellen besser bestimmen und abschätzen, wann Materie ausgestoßen wird. „All diese Informationen könnten zukünftig dazu beitragen, dass wir die Entwicklung unserer Galaxie besser verstehen“, betont Mernik.

Riesige Blasen im Heuhaufen des Universums
Doch warum ist diese riesige galaktische Sanduhr anderen Röntgenteleskopen bislang verborgen geblieben? „Man benötigt dafür ein Teleskop mit einer hohen Empfindlichkeit und Auflösungsvermögen einerseits und einem großen Gesichtsfeld andererseits. Betrachtet man nur kleine Himmelsausschnitte, kann man so gigantische Strukturen nicht erkennen. Die sprichwörtliche Nadel wird zu groß für den Betrachter des Heuhaufens. Das eROSITA-Instrument wurde aber vom MPE für genau diesen Zweck gebaut – nämlich um den gesamten Röntgenhimmel zu kartieren“, erklärt Mernik. „Es ist eine Entdeckungsmaschine für die größten Strukturen im Universum.“

Spektrum-Röntgen-Gamma – eine Raumfahrtmission mit vielen Partnern
Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG) ist eine Raumfahrtmission mit vielen Partnern. Auf russischer Seite sind die Raumfahrtagentur Roskosmos, der Raumfahrtkonzern Lavochkin sowie das Institut für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften (IKI) eingebunden. Das deutsche Röntgenteleskop eROSITA wurde mit der Unterstützung des DLR Raumfahrtmanagements vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) sowie den Universitäten Erlangen-Nürnberg, Hamburg und Tübingen entwickelt und gebaut. Zudem bereiten die Universitäten München und Bonn die wissenschaftliche Auswertung der eROSITA-Daten mit vor. Die am deutschen Teleskop beteiligten Partnerinstitute haben Software für die Datenanalyse, Missionsplanung und Simulationen erstellt sowie Teile der Hardware beigestellt. Die hauptsächliche Hardwareverantwortung lag aber im Wesentlichen beim MPE. Hier wurden viele Komponenten entwickelt und zum Teil in Partnerschaft mit ausgewählten Industrieunternehmen gefertigt. Auch der Zusammenbau des Teleskops fand in Garching statt. Von hier aus wurde das Teleskop nach Moskau verbracht, um gemeinsam mit dem russischen Teleskop auf die Satellitenplattform integriert zu werden.

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Quelle: ESA.

Im Rahmen einer gemeinsamen Technologiedemonstration, die im April und im Mai durchgeführt wurde, nutzten die ESA, Roskosmos und das Institut für Weltraumforschung an der Russischen Akademie der Wissenschaften (IKI RAN) in Kooperation mit dem Unternehmen NPO S. A. Lawotschkin drei der ESA-Bodenstationen, um wichtige wissenschaftliche Daten der Mission Spektr-RG herunterzuladen.

Dieses astrophysikalische Observatorium wurde von Roskosmos mit deutscher Beteiligung unter der Leitung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR entwickelt und befindet sich derzeit in einem Halo-Orbit um den Lagrange-Punkt L2, der etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist. Von dort aus soll das Observatorium die Röntgenstrahlung des gesamten Himmels kartographieren und neue Röntgenquellen im Universum identifizieren, wie zum Beispiel supermassive Schwarze Löcher.

ESA-Stationen springen ein

In diesem Frühjahr lagen die russischen Bodenstationen, die normalerweise mit Spektr-RG kommunizieren, in ungünstigen geografischen Positionen. Deshalb sprangen die ESA-Expertinnen und Experten des Estrack-Bodenstationsnetzwerks ein und arbeiteten in enger Kooperation mit den Kollegen am Russischen Komplex zum Empfang Wissenschaftlicher Informationen (RKPNI).

Die drei 35-Meter-Antennen der ESA in Australien, Spanien und Argentinien wurden für eine Serie von 16 Kommunikationsdurchläufen mit Spektr-RG genutzt. Dabei wurden 6,5 GB wissenschaftlicher Daten heruntergeladen.

Diese Daten umfassten auch Bildaufnahmen der zwei Röntgenteleskope der Mission. Das Instrument ART-XC wurde von IKI RAN entwickelt und das Instrument eROSITA wurde vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) in Deutschland gebaut und wird auch von diesem betrieben.

Es war das erste Mal, dass ESA-Bodenstationen wissenschaftliche Daten von einem russischen Raumfahrzeug empfangen haben.

Vom niedrigen Erdorbit bis in die Tiefen des Weltalls

Das Estrack-Netzwerk umfasst sieben Stationen auf drei Kontinenten und bietet Kommunikationsverbindungen zu ESA-Raumfahrzeugen, die die Erde umkreisen, unsere Sonne vermessen, die Tiefen des Weltraums erforschen oder unser inneres Sonnensystem erkunden.

Die Stationen werden vom Europäischen Satellitenkontrollzentrum (ESOC) der ESA in Darmstadt aus betrieben und unterstützen auch Missionen der NASA, der chinesischen und japanischen Raumfahrtagenturen sowie europäischer Agenturen im Rahmen gegenseitiger Unterstützungsabkommen.

Zukünftige Kooperation

Diese erfolgreiche Kollaboration demonstriert, wie ESA- und Roskomos-Technologien zusammengebracht werden können und beweist so die Interoperabilität der beiden Weltraumagenturen.

Im Laufe dieses Jahres ist eine weitere, ähnliche Technologiedemonstration geplant, bei der eine russische Bodenstation wissenschaftliche Daten von zwei Mars-Missionen gleichzeitig empfangen wird: der ESA-Sonde Mars Express sowie des ExoMars-Spurengasorbiters (Trace Gas Orbiter, TGO) von ESA und Roskosmos.

Diese beiden Experimente legen den Grundstein für die zukünftige Zusammenarbeit zwischen der ESA und Roskosmos, die vielleicht sogar den Abschluss eines gegenseitigen Unterstützungsabkommens umfasst, im Rahmen dessen dann russische und europäische Wissenschafts- und Forschungsmissionen auf die Bodenstationen der jeweils anderen Weltraumagentur zugreifen können.

Der Beitrag ESA-Stationen unterstützen Spektr-RG erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

Nach 182 Tagen hat das Röntgenteleskop eROSITA an Bord der SRG-Raumsonde seine erste vollständige Durchmusterung des Himmels abgeschlossen. Diese neue Karte des heißen, energiereichen Universums enthält mehr als eine Million Objekte – damit verdoppelt sich in etwa die Zahl der bekannten Röntgenquellen, die in der bislang 60-jährigen Geschichte der Röntgenastronomie entdeckt wurden. Bei den meisten der neuen Quellen handelt es sich um aktive galaktische Kerne bei kosmologischen Entfernungen, die das Wachstum gigantischer Schwarzer Löcher im Laufe der kosmischen Zeit markieren. Galaxienhaufen in der neuen Karte werden genutzt, um das Wachstum kosmischer Strukturen nach zu verfolgen und kosmologische Parameter einzuschränken. Näher an unserer kosmischen Heimat befinden sich Sterne mit einer heißen Corona, Doppelsterne und Supernova-Überreste in unserer Galaxie. Zudem haben die Astronomen jetzt eine vollständige Karte der heißen Baryonen in der Milchstraße, was nur mit der 360-Grad-Ansicht der eROSITA-Himmelskarte möglich ist.

Eine Million Röntgenquellen, die die Natur des heißen Universums offenbaren – das ist der beeindruckende Ertrag der ersten vollständigen Himmelsdurchmusterung mit dem eROSITA-Teleskop an Bord der SRG-Raumsonde. „Dieses Bild des kompletten Himmels ändert völlig die Art und Weise, wie wir das energiereiche Universum betrachten“, sagt Peter Predehl, der leitende Wissenschaftler von eROSITA am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE). „Wir sehen einen enormen Reichtum an Details – die Schönheit der Bilder ist wirklich überwältigend.“

Die erste vollständige Himmelsdurchmusterung von eROSITA ist etwa viermal tiefer als die vorherige Karte des gesamten Röntgenhimmels durch das ROSAT-Teleskop vor 30 Jahren und liefert etwa zehnmal mehr Quellen: etwa so viele, wie von allen bisherigen Röntgenteleskopen zusammen entdeckt wurden. Und während die meisten Klassen astronomischer Objekte Röntgenstrahlen aussenden, sieht das heiße und energiereiche Universum ganz anders aus als durch optische oder Radioteleskope. Außerhalb unserer Heimatgalaxie sind die meisten eROSITA-Quellen aktive Kerne von Galaxien in kosmologischen Entfernungen, bei denen supermassereiche Schwarze Löcher Materie akkretieren. Daneben gibt es auch Galaxienhaufen, die als ausgedehnte Röntgenhalos erscheinen und dank des heißen Gases leuchten, das in den riesigen Ansammlungen aus dunkler Materie eingeschlossen ist. Das Bild des gesamten Himmels enthüllt aber auch die Struktur des heißen Gases in der Milchstraße selbst bis ins kleinste Detail sowie das zirkumgalaktische Medium, das sie umgibt und dessen Eigenschaften für das Verständnis der Entstehungsgeschichte unserer Galaxis von entscheidender Bedeutung sind. Die eROSITA-Röntgenkarte zeigt aber noch mehr: Sterne mit starken, magnetisch aktiven heißen Coronae, Röntgendoppelsterne, die Neutronensterne, Schwarze Löcher oder Weiße Zwerge enthalten, und spektakuläre Supernova-Überreste in unserer eigenen und anderen nahen Galaxien wie den beiden Magellanschen Wolken.

„Wir haben alle mit Spannung auf die erste Himmelskarte von eROSITA gewartet“, sagt Mara Salvato, die leitende Wissenschaftlerin am MPE um die eROSITA-Beobachtungen mit anderen Teleskopen über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg zu kombinieren. „Große Himmelsbereiche wurden bereits bei vielen anderen Wellenlängen abgedeckt, und jetzt haben wir die entsprechenden Röntgendaten. Wir brauchen diese anderen Beobachtungen, um die Röntgenquellen zu identifizieren und ihre Natur zu verstehen.“ Die eROSITA Daten sind auch eine Fundgrube für seltene und exotische Phänomene, darunter zahlreiche Arten von Veränderlichen, wie z.B. Flares von kompakten Objekten, verschmelzende Neutronensterne und Sterne, die von Schwarzen Löchern verschluckt werden. „eROSITA sieht oft unerwartete Ausbrüche von Röntgenstrahlen vom Himmel“, fährt Salvato fort. „Wir müssen bodengebundene Teleskope sofort alarmieren, um zu verstehen, was dahintersteckt.“

Das Zusammensetzen des ersten kompletten Himmelsbildes war eine Mammutaufgabe. Bislang hat das Team etwa 165 GB an Daten, die von eROSITAs sieben Kameras gesammelt wurden, empfangen und verarbeitet. Während der Betrieb dieses komplexen Instruments im Weltraum, gemessen an den Datenmengen am Boden, relativ klein ist, stellt die Distanz eine besondere Herausforderung dar. „In Zusammenarbeit mit unseren Kollegen in Moskau, die die SRG-Raumsonde betreiben, überprüfen und überwachen wir täglich den Zustand des Instruments“, erklärt Miriam Ramos-Ceja, Mitglied des eROSITA-Operationsteams am MPE. „So können wir schnell auf alle Anomalien reagieren und gleichzeitig Daten mit einer Effizienz von ~97% sammeln. Es ist fantastisch, in Echtzeit mit einem Instrument kommunizieren zu können, das sich 1,5 Millionen Kilometer von uns entfernt befindet!“ Der Daten-Downlink erfolgt täglich. „Wir prüfen sofort die Qualität der Daten“, fährt sie fort, „bevor sie von den Teams in Deutschland und Russland weiterverarbeitet und analysiert werden.“

Während das Team nun damit beschäftigt ist, diese erste Karte des gesamten Himmels zu analysieren und die Bilder und Kataloge zu nutzen, um unser Verständnis der Kosmologie und der energiereichen astrophysikalischen Prozesse zu vertiefen, setzt das Teleskop seine Durchmusterung des Röntgenhimmels fort. „Das SRG-Observatorium beginnt nun seine zweite Himmelsdurchmusterung, die bis Ende dieses Jahres abgeschlossen sein wird“, sagt Rashid Sunyaev, leitender Wissenschaftler des russischen SRG-Teams. „Insgesamt planen wir, in den nächsten 3,5 Jahren sieben Karten wie dieses schöne Bild zu erhalten. Ihre kombinierte Empfindlichkeit wird um den Faktor 5 besser sein und von Astrophysikern und Kosmologen jahrzehntelang genutzt werden.“

Kirpal Nandra, Leiter der Abteilung Hochenergie-Astrophysik am MPE, fügt hinzu: „Mit einer Million Quellen in nur sechs Monaten hat eROSITA die Röntgenastronomie bereits revolutioniert, aber dies ist nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Diese Kombination von Himmelsfläche und Tiefe transformiert alles. Wir untersuchen bereits jetzt ein kosmologisches Volumen des heißen Universums, das viel größer ist, als es bisher möglich war. In den nächsten Jahren werden wir in der Lage sein, noch tiefer zu gehen und zu erforschen, wo sich die ersten riesigen kosmischen Strukturen und supermassereichen Schwarzen Löcher gebildet haben.“

Weitere Informationen:
Am 11. Juni 2020 schloss das eROSITA-Teleskop seine erste Durchmusterung des gesamten Röntgenhimmels ab. Das am 13. Juli 2019 an Bord der SRG-Raumsonde gestartete Teleskop umkreist den zweiten Lagrange-Punkt des Erde-Sonne-Systems und befindet sich in einem kontinuierlichen Scan-Modus. Bei dieser ersten Himmelsdurchmusterung wurde jeder Punkt am Himmel für eine durchschnittliche Dauer von 150-200 Sekunden von eROSITA beobachtet. Die Regionen in der Nähe der Ekliptikpole, wo sich die vom Teleskop am Himmel gezogenen Großkreise schneiden, wurden viele Male überstrichen, wobei sich Belichtungen von bis zu einigen Stunden ansammelten. SRG wird den Himmel noch dreieinhalb Jahre lang scannen, wobei eROSITA sieben weitere Himmelsdurchmusterungen durchführen wird.

eROSITA ist das Hauptinstrument an Bord von SRG, einer gemeinsamen russisch-deutschen Wissenschaftsmission, die von der Russischen Weltraumagentur (Roskosmos) im Interesse der Russischen Akademie der Wissenschaften, vertreten durch ihr Weltraumforschungsinstitut (IKI), und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt wird. Die SRG-Raumsonde wurde von der Lavochkin Association (NPOL) und ihren Unterauftragnehmern gebaut und wird von NPOL mit Unterstützung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) betrieben.

Die Entwicklung und der Bau des Röntgeninstruments eROSITA wurden unter Federführung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) mit Beiträgen der Dr. Karl Remeis-Sternwarte der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg, der Sternwarte der Universität Hamburg, des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und des Instituts für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen mit Unterstützung des DLR und der Max-Planck-Gesellschaft durchgeführt. Auch das Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn und die Ludwig-Maximilians-Universität München beteiligten sich an der wissenschaftlichen Vorbereitung von eROSITA.

Die hier gezeigten eROSITA-Daten wurden mit dem vom deutschen eROSITA-Konsortium entwickelten Softwaresystem eSASS verarbeitet.

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Quelle: ASC FIAN.

Von unserem Gastautor Stefan Heykes
RadioAstron untersucht eine Vielzahl von Radioquellen. Die beobachteten Objekte haben alle gemeinsam, dass sie relativ leuchtstark sind, um von dem kleinen 10m-Radioteleskop erfasst werden zu können. Die Art der Objekte ist aber vielgestaltig – so sind aktive Galaxienkerne ebenso dabei wie Pulsare oder Maser (natürlich auftretende Mikrowellen-Laser). Jetzt wurden vom federführenden Astrokosmischen Zentrum des Moskauer Lebedew-Physik-Instituts (ASC FIAN) Beobachtungsergebnisse von zwei aktiven Galaxienkernen sowie drei Pulsaren vorgestellt.

Der Quasar 0642+449
Dieses Objekt wurde am 9. und 10. März 2013 von einer ganzen Reihe Radioteleskope beobachtet, um eine komplette interferometrische Abbildung dieses aktiven Galaxienkerns bei 18cm Wellenlänge erzeugen zu können. Daran beteiligt waren neben RadioAstron das European VLBI Network (EVN), das russische Quasar-Netzwerk sowie die Radioteleskope in Green Bank (USA) und Jewpatorija (Krim).

Um eine möglichst hohe Bildqualität zu erreichen, muss bei einer solchen Beobachtung die Position der Teleskope zueinander mit hoher Genauigkeit bekannt sein. Um dies zu erreichen, wurden einige der kleineren EVN-Teleskope nicht für die eigentliche Beobachtung von 0642+449 verwendet, sondern zur Bahnverfolgung des Weltraumteleskops eingesetzt. Dieses Verfahren zur Positionsbestimmung läuft unter der Bezeichnung EVN-PRIDE und wird auch zur Verfolgung von Raumsonden verwendet.

Mit diesem Verfahren war es möglich, bis zu einer Basislänge (Distanz zwischen zwei Antennen) von 5,9 Erddurchmessern Beobachtungsdaten zu verarbeiten und somit eine Auflösung von 0,8 Millibogensekunden zu erreichen. Da die Auflösung von der Basislänge abhängt, ist dies etwa sechsmal besser als rein irdische Beobachtungen ermöglichen.

Der Blazar BL Lacertae
Der Prototyp der Blazer wurde am 11.November 2013 beobachtet. Ähnlich wie bei 0642+449 waren neben RadioAstron eine ganze Reihe Bodenteleskope beteiligt, in diesem Fall das EVN sowie das amerikanische Gegenstück VLBA. Hier wurde allerdings eine Wellenlänge von 1,3cm zur Beobachtung verwendet und somit bei einer Basislänge von bis zu 6 Erddurchmessern eine Auflösung von 33 Mikrobogensekunden erreicht. Dies ist eine der höchsten überhaupt in der Astronomie erreichten Auflösungen. Zum Vergleich: Das Hubble-Weltraumteleskop erreicht (allerdings im sichtbaren Licht) nur eine tausendfach schlechtere Auflösung.

Mit dieser Auflösung ist es möglich, in diesem 900 Mio Lichtjahre entfernten Objekt Strukturen mit einer Ausdehnung von nur 1,6 Lichtmonaten abzubilden. Angesichts der Ausdehnung von Galaxien, die wie bei der Milchstraße 100.000 Lichtjahre beträgt sind dies sehr feine Strukturen. Mit derart hoch aufgelösten Bildern wird es möglich sein, zukünftig noch mehr Erkenntnisse über derartige aktive Galaxienkerne zu gewinnen.

An diesen beiden Experimenten war auch das Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie entscheidend beteiligt, dessen Großrechner DiFX die Datenverarbeitung durchgeführt hat.

Die Pulsare B0950+08, B1919+21 und B0329+54
Die Beobachtung von Pulsaren unterscheidet sich grundsätzlich von der Untersuchung aktiver Galaxienkerne. Während bei AGNs versucht wird, mit hoher Auflösung interne Strukturen zu erkennen, ist dies bei Pulsaren – rotierenden Neutronensternen – aufgrund ihrer geringen Größe völlig unmöglich. Hier wird daher mit längeren Wellenlängen (RadioAstron beobachtet Pulsare normalerweise im 92cm-Band) gearbeitet und nicht nur der eigentliche Pulsar, sondern vielmehr das Material zwischen Pulsar und Teleskop untersucht.

Plasma hat nämlich die Eigenschaft, dass es Radiowellen streut oder ablenkt. Man beobachtet hier also von zwei möglichst weit entfernten Punkten, wie unterschiedlich die Radiopulse verzerrt wurden. B0950+08 wurde bereits am 25. Januar 2012 mit einer Basislänge von rund 220.000km beobachtet.

Diese Beobachtung erlaubt den Nachweis und die Untersuchung der Grenze der „lokalen Blase“ (einer Region geringer molekularer Dichte in der Nähe des Sonnensystems, in 85-550 Lichtjahren Entfernung) sowie in geringerer Entfernung (14,5 bis 53,5 Lichtjahre) die Grenze einer lokalen Molekülwolke.

Ganz ähnlich sahen die Resultate aus für die Pulsare B1919+21 und B0329+54, allerdings zeigen sich in dieser anderen Blickrichtung andere Entfernungen für solche streuenden Bereiche.

Weitere Informationen

• Forenthread zu RadioAstron
• Forenthread zu Aktiven Galaktischen Kernen, Quasaren und supermassiven schwarzen Löchern
• Forenthread zu Neutronensternen, Pulsaren und Magnetaren

Der Beitrag Neue Resultate von RadioAstron erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: eROSITA Science Book.

Die Missionsplanung sieht vor, in den ersten vier Jahren 8 komplette Durchmusterungen durchzuführen, danach sollen mindestens 3,5 Jahre gezielte Beobachtungen vorgenommen werden. Im Bereich weicher Röntgenstrahlung (0,5-2 keV) stellt eROSITA damit den Nachfolger der ROSAT-Mission (ich glaub wir alle erinnern uns noch an den Absturz ;)) dar, während im Bereich von 2-10 keV eROSITA die erste wirklich komplette Durchmusterungsmission überhaupt darstellt.

Die Röntgenoptik basiert auf dem System der (gescheiterten) ABRIXAS-Mission. Aufgrund eines Designfehlers ging der Satellit leider direkt nach dem Start verloren. eROSITA besitzt also auch 7 einzelne Teleskopmodule. Es handelt sich dabei um Wolter-Teleskope mit jeweils 54 Spiegelschalen. Das Blickfeld von eROSITA beträgt 1° x 1°, dabei wird eine Winkelauflösung von etwa 15 Bogensekunden im Zentrum erreicht. Unter günstigen Bedingungen ist es mithilfe von Subpixel-Rekonstruktionsalgorithmen sogar möglich, die Auflösung auf bis zu 2 Bogensekunden zu senken. Die einzelnen Spiegelschalen müssen dafür extrem präzise gearbeitet sein, ihre Oberflächenrauigkeit liegt unter 0,5 Nanometern. Es handelt sich dabei um Nickelschalen mit Goldbeschichtung. Das bedeutet, dass die Oberfläche auf 2-3 Atomlagen genau gearbeitet ist. Insgesamt wiegt eROSITA etwa 800 kg.

Der Satellit Spektr-RG wird um den Sonne-Erde-L2 kreisen. Dies ist ein Punkt, der von der Sonne aus 1,5 Mio Kilometer hinter der Erde liegt. Um diesen Punkt können Satelliten stabil auf sogenannten Lissajous-Orbits kreisen. Aufgrund der großen Entfernung zur Erde herrschen dort immer die gleichen Bedingungen zur Beobachtung. Daher wird dieser Punkt von immer mehr Weltraumteleskopen genutzt. So haben Herschel und Planck hier ihre Mission erfüllt, viele weitere Missionen werden folgen. Ein Nachteil an diesem Punkt ist jedoch die erhöhte Strahlenbelastung, da hier das schützende Magnetfeld der Erde nicht mehr wirksam ist. Die für eROSITA verwendeten CCDs haben jedoch bei Bodentests nachgewiesen, dass diese Effekte ihre Leistung nicht einschränken.

Nach dem Start mit einer Rakete vom Typ Zenit-3F wird Spektr-RG etwa 3 Monate brauchen, bis der Zielorbit erreicht wird. Dann wird Spektr-RG innerhalb von 6 Monaten einmal um den L2 kreisen. Der Abstand zu diesem Punkt wird dabei rund 1 Million Kilometer betragen. In diesem Orbit wird eROSITA sich so drehen, dass innerhalb von 4 Stunden eine komplette Rotation durchgeführt und somit ein großer Himmelskreis abgetastet wird. Die Drehachse ist dabei zur Sonne hin ausgerichtet.

Mit diesem Verhalten wird der Himmel alle sechs Monate komplett aufgenommen sein. Aufgrund dieser Beobachtungsplanung wird eROSITA die Umgebung der Himmelspole deutlich öfter und länger beobachten als Objekte im Bereich des Himmelsäquators und daher in diesem Bereich eine bessere Datenqualität liefern. Um diese höchste Qualität für einen möglichst großen Bereich von etwa 100 Quadratgrad zu erzielen, wird die Rotationsachse von Spektr-RG um wenige Grad variiert werden.

Im Verlauf der Mission wird eROSITA eine Vielzahl von Objekten erfassen, entdecken und katalogisieren können. Unter anderem sollen alle massereichen Galaxiencluster im beobachtbaren Universum entdeckt werden können. Mit den daraus gewinnbaren Informationen können die Parameter für einige kosmologische Modelle 1-2 Größenordnungen präziser als mit bisherigen Röntgen-Beobachtungen gewonnen werden.

eROSITA wird auch normale Galaxien sowie aktive Galaxienkerne (AGN) entdecken. Alleine drei Millionen AGN sollen mit eROSITA erfasst werden können. Da diese Objekte alle 6 Monate beobachtet werden, kann erstmals für eine große Anzahl von AGN über einen längeren Zeitraum hinweg die Entwicklung der Helligkeit beobachtet werden. Das ist vor allem interessant für Galaxien, die normalerweise nicht aktiv sind, sondern nur bei einzelnen Ereignissen aufleuchten. Das kann zum Beispiel passieren, wenn das zentrale schwarze Loch mal einen Stern verschluckt. Erwartet wird die Entdeckung von etwa 1.000 solcher Ereignisse im Verlauf der Mission.

Durch die Beobachtung des Helligkeitsverlaufs lässt sich rekonstruieren, wie viel Masse die supermassiven schwarzen Löcher innerhalb von AGNs im Lauf der Beobachtungszeit aufnehmen. Damit können Modelle überprüft oder verfeinert werden, die sich mit dem langfristigen Wachstum dieser Objekte beschäftigen.

Neben aktiven Galaxienkernen werden auch normale Galaxien erfasst werden können, deren Röntgenstrahlung von stellaren Quellen innerhalb der Galaxie stammt und nicht vom schwarzen Loch in ihrem Zentrum. Hier wird die Entdeckung von etwa 15.000 bis 20.000 Galaxien erwartet. Bei relativ nahen Galaxien können sogar die hellsten Röntgenquellen innerhalb der Galaxien einzeln identifiziert werden.

Auch in unserer Galaxie gibt es eine Vielzahl von Röntgenquellen. Stellare schwarze Löcher zählen ebenso dazu, wie weiße Zwerge oder Neutronensterne. eROSITA soll mehrere 10.000 solcher Objekte in unserer Milchstraße beobachten können. Auch in unseren Nachbargalaxien wird eROSITA viele einzelne Röntgenquellen erfassen und beobachten.

Neben einzelnen Objekten erzeugt auch heiße interstellare Materie Röntgenstrahlung. eROSITA wird damit auch die Struktur und Verteilung dieses Materials erforschen können und somit vielleicht auch zur Beantwortung ungeklärter Fragen beitragen. So besitzt unsere Milchstraße die sogenannten „Fermi-Blasen“. Dies sind zwei kugelförmige Quellen hochenergetischer Strahlung, die zuerst vom Fermi-Teleskop für Gammastrahlen nachgewiesen werden konnten. Es wird vermutet, dass sie in einer aktiven Phase unseres galaktischen Zentrums entstanden sind, allerdings sind die genauen Ereignisse, die zur Bildung führten, noch unklar.

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• Russische Weltraumteleskope: Die Spektr-Serie

Der Beitrag Röntgenteleskop eROSITA: Das allsehende Auge erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: Nikolai Kardaschow.

Die Hauptnutzlast von Spektr-R ist das „Kosmische Radioteleskop“ (KRT). Es handelt sich um eine Parabolantenne von 10m Durchmesser. Im Fokus besitzt sie Empfänger für vier Frequenzbänder. Empfangen werden die Wellenlängen im Bereich von 1,35cm; 6,2cm; 18cm und 92cm. Jeder Empfänger besteht aus zwei Teilen, einem für linksdrehend polarisierte Wellen und einem für rechtsdrehend polarisierte.

Um das Rauschen der Instrumente zu verringern, werden die Empfänger und die nachgeschalteten Verstärker heruntergekühlt auf Temperaturen von 130-150K, das entspricht etwa -140°C bis -120°C. Erreicht wird diese Kühlung dadurch, dass die Empfänger im Schatten der Antenne liegen. Das bedeutet allerdings auch, dass Spektr-R nur auf Ziele ausgerichtet werden kann, die von der Sonne abgewandt sind. Würde man in Richtung Sonne schauen, wäre das Rauschen der Instrumente stark erhöht. Außerdem gibt es keine Garantie dafür, dass die reflektierende Beschichtung der Antenne direkte Sonnenstrahlung übersteht. Daher muss die Blickrichtung von Spektr-R mindestens senkrecht zu eintreffenden Sonnenstrahlen sein, darf aber auf keinen Fall die Sonne direkt auf die Antenne strahlen lassen.

Die empfangenen Daten werden dann vom Kommunikationssystem „VIRK“ in Echtzeit zur Erde übertragen. Dazu wird eine Parabolantenne mit 1,5m Durchmesser auf der Rückseite von Spektr-R verwendet. Die Sendefrequenz beträgt 15GHz. Dabei wird ein hochgenauer Zeitstempel von der an Bord befindlichen Atomuhr mitgesendet, der die spätere Kombination mit am Boden gewonnenen Daten ermöglicht.

Spektr-R ist in der Lage, autonome Antennentests durchzuführen, um damit die genauen Parameter des Systems zu bestimmen. Dazu gehört die Messung des Rauschens. Dieses ist zum Einen durch die Instrumente bedingt, zum Anderen aber auch durch die unregelmäßig verteilte Radio-Hintergrundstrahlung aus dem Universum. Eine weitere wichtige Messung ist die Bestimmung der effektiven Antennenfläche. Diese wird bestimmt, indem die empfangene Strahlungsleistung von bekannten Strahlungsquellen mit der empfangenen Leistung von Bodenteleskopen verglichen wird.

Die Testergebnisse im Orbit liefern dabei im Vergleich zu den Erwartungen ein gemischtes Bild. Eine positive Überraschung war, dass es innerhalb des gesamten Empfangssystems fast keine Interferenzen gibt. Dies war noch bei den Bodentests anders gewesen. Negativ aufgefallen ist jedoch das 1,35cm-Band. Offenbar wurde der Empfänger dafür nicht exakt korrekt positioniert (die geschätzte Abweichung beträgt 3mm), so dass die effektive Antennenfläche nur bei 7,5m² liegt. Geplant waren jedoch 24m² für dieses Band. Je größer die effektive Fläche ist, umso mehr Strahlung kann gesammelt werden. Daher bedeutet dieses Ergebnis, dass für die gleiche empfangene Strahlungsmenge die Beobachtungszeit leider deutlich länger als erwartet werden muss.

Im Wesentlichen entsprechen aber die effektiven Antennenflächen der anderen Bänder den Erwartungen. Für 6,2cm und 18cm sollten es je 40m² sein, erreicht wurden 35m² und 41m². Bei 92cm wurden die Planungen sogar leicht übertroffen, hier stehen 30m² statt 24m² zur Verfügung. Die Unterschiede im Vergleich zur Planung ergeben sich durch kleine Abweichungen in Position der Bauteile und in der Qualität der Reflektoroberfläche. Das systematische Grundrauschen aller Empfänger liegt leicht über den Erwartungen, nur im 6,2cm-Band gibt es einen krassen Ausreißer. Hier ist das Rauschen doppelt so stark wie erwartet.

Die Antenne selbst ist offensichtlich von besserer Qualität als geplant, da anders die größeren effektiven Antennenflächen nicht erklärbar sind. Die Vorgabe für die Oberflächengenauigkeit war eine maximale Abweichung von 2mm. Praktisch erreicht wurden etwa 0,77mm.

Neben diesen Abweichungen gibt es jedoch auch einen größeren Defekt. Es ist nicht möglich, beim 6,2cm-Band beide Polarisationen gleichzeitig zu verwenden. Lediglich wenn nur ein Empfänger auf einmal verwendet wird, funktioniert dieses Band. Vermutlich hängt auch das erhöhte Grundrauschen in diesem Band damit zusammen. Die genaue Fehlerursache wird aber noch untersucht.

Abschließend bleibt festzuhalten, dass Spektr-R sich im Einsatz bereits bewährt hat. Es gibt zwar in manchen Bereichen technische Probleme und dadurch leichte Einschränkungen der Möglichkeiten, aber dennoch können alle geplanten Vorhaben durchgeführt werden. Angesichts der Krise der russischen Raumfahrt ist das definitiv eine positive Nachricht. Die erste große wissenschaftliche Raumfahrtmission Russlands, die auf bestem Wege ist ein Erfolg zu werden. Die 15 Jahre vor Spektr-R gestartete Sonde Mars-96 konnte die in sie gesetzten Hoffnungen schließlich ebenso wenig erfüllen wie die wenige Monate nach Spektr-R gestartete Fobos-Grunt.

Persönlicher Kommentar des Autors: Angesichts dieser herausgehobenen Rolle der Mission ist es bedauerlich, dass nur relativ wenige Nachrichten von Roskosmos oder den beteiligten Instituten zu hören sind. Dies betrifft vor allem die russischen Institute wie das ASC Lebedew, aber zum Beispiel auch das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Dieses trägt mit dem Effelsberger 100m-Radioteleskop und mit dem DiFX-Korrelator (einem von nur zwei verfügbaren Systemen – der andere ist der des Lebedew-Instituts in Moskau) einen wichtigen Anteil bei, hat aber im gesamten Missionszeitraum erst eine einzige Mitteilung dazu herausgegeben

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• Spektr-R RadioAstron

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