Unser tiefster Blick in den Röntgenhimmel

Das eROSITA-Teleskop liefert Astronomen einen neuen, scharfen Blick auf heiße und energiereiche Prozesse im gesamten Universum. Eine Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE).

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

Das energiereiche Universum, gesehen mit dem Röntgenteleskop eROSITA. Die erste vollständige eROSITA-Himmelsdurchmusterung wurde über einen Zeitraum von sechs Monaten durchgeführt. Hierbei rotierte das Teleskop kontinuierlich, was eine gleichmäßige Belichtung von etwa 150-200 Sekunden über den größten Teil des Himmels lieferte; die Pole der Ekliptik wurden öfter besucht, wodurch hier die Aufnahmen tiefer sind. Während eROSITA den Himmel abtastet, wird die Energie der gesammelten Photonen mit einer Genauigkeit von 2% – 6% gemessen. Um dieses Bild zu erzeugen, bei dem der gesamte Himmel auf eine Ellipse projiziert wird (so genannte Aitoff-Projektion) mit dem Zentrum der Milchstraße in der Mitte und der Scheibe der Milchstraße in der Horizontalen, wurden die Photonen entsprechend ihrer Energie farblich kodiert (rot für Energien 0,3-0,6 keV, grün für 0,6-1 keV, blau für 1-2,3 keV). Das Originalbild mit einer Auflösung von etwa 10″ und einem entsprechenden Dynamikumfang von mehr als einer Milliarde wird dann geglättet, um das obige Bild zu erzeugen. Das rote diffuse Glühen außerhalb der galaktischen Ebene zeigt die Emission des heißen Gases in der Umgebung des Sonnensystems (die Lokale Blase). Entlang der Ebene selbst absorbieren Staub und Gas die Röntgenphotonen bei niedrigen Energien, so dass nur energiereiche Strahlung emittierende Quellen zu sehen sind, deren Farbe im Bild blau erscheint. Das heißere Gas in der Nähe des galaktischen Zentrums, das in Grün und Gelb dargestellt ist, trägt Informationen über die Geschichte der energiereichsten Prozesse im Leben der Milchstraße in sich, wie zum Beispiel Supernova-Explosionen, die Gasfontänen aus der Ebene hinausschleudern, sowie möglicherweise vergangene Ausbrüche aus dem jetzt ruhenden supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie. Durch dieses turbulente, heiße, diffuse Medium dringen Hunderttausende von Röntgenquellen, die im Bild meist weiß erscheinen und gleichmäßig über den Himmel verteilt sind. Darunter sind entfernte aktive Galaxienkerne als Punktquellen sichtbar (darunter einige wenige, die zu einer Zeit emittierten, als das Universum weniger als ein Zehntel seines heutigen Alters betrug), während sich Galaxienhaufen als ausgedehnte Röntgennebel zeigen. Insgesamt wurden über eine Million Röntgenquellen im eROSITA-Himmelsbild entdeckt, eine Fundgrube, die die Teams in den kommenden Jahren beschäftigen wird.
(Bild: Jeremy Sanders, Hermann Brunner and the eSASS team (MPE); Eugene Churazov, Marat Gilfanov (on behalf of IKI))

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.

Der „Vela-Supernova-Überrest“, der auf diesem Bild zu sehen ist, ist aufgrund seiner Größe und der geringen Entfernung zur Erde eines der prominentesten Objekte am Röntgenhimmel. Die Supernova Vela explodierte vor etwa 12000 Jahren in einer Entfernung von 800 Lichtjahren und überschneidet sich mit mindestens zwei weiteren Supernova-Überresten, Vela Junior (im Bild links unten als bläulicher Ring zu sehen) und Puppis-A (rechts oben). Vela Junior wurde erst vor 20 Jahren entdeckt, obwohl dieses Objekt so nahe an der Erde liegt, dass Überreste dieser Explosion in polaren Eiskernen gefunden wurden. Alle drei Supernova-Explosionen erzeugten sowohl die röntgenhellen Supernova-Überreste als auch Neutronensterne, die als intensive Röntgenpunktquellen in der Nähe der Zentren der Überreste leuchten. Die Qualität der neuen eROSITA-Daten dieses „Sternenfriedhofs“ wird den Astronomen viele aufregende neue Einblicke in die physikalischen Prozesse im heißen Supernova-Plasma sowie für die Erforschung der exotischen Neutronensterne geben.
(Bild: Peter Predehl, Werner Becker (MPE), Davide Mella)

„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.“

Der Shapley-Superhaufen von Galaxien ist eine der massereichsten Galaxienkonzentrationen im lokalen Universum in einer Entfernung von etwa 650 Millionen Lichtjahren (z~0,05). Jede der Dutzend ausgedehnten Strukturen ist selbst ein Galaxienhaufen, der aus 100 bis 1000 einzelnen Galaxien besteht, von denen jeder an den Schnittpunkten der Filamente sitzt, aus denen die großräumige Struktur im Universum besteht. Dieses Bild erstreckt sich über einen Raumwinkel von 16 Grad am Himmel (etwa 30 mal so groß wie der Vollmond), was in der Entfernung des Shapley-Superhaufens einem Durchmesser von etwa 180 Millionen Lichtjahren entspricht. Die Bilder links zeigen vergrößerte Aufnahmen der massereichsten Haufen im Shapley-Superhaufen.
(Bild: Esra Bulbul, Jeremy Sanders (MPE))

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.

In dieser Version der eROSITA-Himmelskarte sind einige markante Röntgenquellen eingezeichnet. Diese reichen von entfernten Galaxienhaufen (Coma, Virgo, Fornax, Perseus), über ausgedehnte Quellen wie Supernova-Überrestes (SNRs) und Nebel bis hin zu hellen Punktquellen, wie z.B. Sco X-1, die erste Röntgenquelle, die außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt wurde. Der Vela SNR befindet sich in der rechten Bildhälfte, die Große Magellansche Wolke im Quadrant rechts unten, der Shapley-Superhaufen oben rechts (auch wenn er in dieser Darstellung nicht deutlich heraussticht).
(Bild: Jeremy Sanders, Hermann Brunner, Andrea Merloni and the eSASS team (MPE); Eugene Churazov, Marat Gilfanov (on behalf of IKI))

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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