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KOSMISCHE STRAHLUNG
Supernovae erklären mysteriöse Strahlung
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Ruhr-Universität Bochum und der TU Dortmund
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6. August 2009

Seit einiger Zeit rätseln Forscher über eine mysteriöse Komponente der kosmischen Partikelstrahlung, deren Ursprung sie bislang nicht erklären konnten. So vermuteten einige Wissenschaftler gar, dass Dunkle Materie für ihre Entstehung verantwortlich sein könnte. Doch es geht offenbar einfacher: Astrophysiker konnten die Strahlung nun durch Supernova-Explosionen massereicher Sterne erklären.

Krebs-Nebel

Der Krebsnebel mit dem Krebs-Pulsar ist der gasförmige und kompakte Überrest einer Supernova-Explosion aus dem Jahr 1054 nach Christus.  Foto: NASA, ESA, J. Hester und A. Loll (Arizona State University) [mehr über dieses Bild]

Mehrere astronomische Experimente haben in jüngster Zeit eine mysteriöse Komponenten der kosmischen Teilchenstrahlung gemessen. Der Ursprung dieser Elektronen und Positronen stellte Forscher bislang vor eine Rätsel. Sollte wirklich, wie einige Physiker spekulieren, dunkle Materie die Ursache für diese Strahlung sein?

Ein internationales Astrophysikerteam um die Bochumer Juniorprofessorin Dr. Julia Becker und den Dortmunder Physiker Prof. Dr. Dr. Wolfgang Rhode haben jetzt eine einfache Erklärung gefunden: Massereiche Sterne, die mindestens die 15-fache Masse der Sonne haben, senden bei ihrem Tod in einer finalen Explosion die Elementarteilchen aus. Der auf Basis dieser Theorie berechnete Fluss an Elektronen und Positronen stimmt mit dem in den astronomischen Experimenten beobachteten und bislang rätselhaften Signal überein. Wie sie die Beobachtungen mit ihrer Theorie der schweren Sternexplosionen erklären, erläutert die sechsköpfige Gruppe in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes Physical Review Letters.

Bei mehreren astronomischen Experimenten wurde kürzlich eine mysteriöse Komponente von Elektronen und Positronen aus dem Universum beobachtet. Die Quellen dieser Elementarteilchen kann von den Experimenten selbst nicht identifiziert werden: Kosmische Magnetfelder lenken sie von ihren Bahnen ab und verwischen ihre Spur. Seit der Veröffentlichung der Messungen wurden viele Versuche unternommen, den Ursprung dieser Teilchenstrahlung zu erklären. Unter anderem wurde die These aufgestellt, ein solches Signal sei einzig durch die so genannte dunkle Materie erklärbar - eine Materieart, deren Ursprung bisher noch völlig unbekannt ist.

"Aber die Natur hat vielleicht eine viel einfachere Erklärung für die beobachteten Teilchen", sagt Becker, die mit einem Forscherteam aus Instituten aus Deutschland, den USA und Schweden zusammenarbeitet. Das Team erklärt die Teilchenstrahlung mit Explosionen von massereichen Sternen, die mehr als das 15-fache der Masse unserer Sonne besitzen.

Ein sterbender Stern mit hoher Masse schleudert die meiste Materie in Form von Plasma in einer finalen Explosion von sich. Die Folge ist, dass das ausgestoßene Plasma unausweichlich auf die den Stern umgebende Materie zuläuft - den sogenannten Sternenwind. Dieser bildet sich um die massiven Sterne, da sie schon in einem früheren Stadium einen Teil ihrer Hülle abstoßen, bevor sie in der letzten Explosion vergehen.

"Bei der Kollision der schnellen Materie aus der finalen Explosion mit dem Plasma früherer Ausstoßungen entstehen dann sogenannten Stoßwellenfronten, ähnlich wie man sie etwa auch bei Überschallflugzeugen beobachten kann", erklärt der Dortmunder Astrophysiker Wolfgang Rhode: "Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, wird die das Flugzeug umgebende Luft mit einer Geschwindigkeit nach außen gedrängt, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Es kommt zum Überschallknall, der sich in Form einer Stoßwellenfront ausbreitet."

Als Stoßwellenfront bezeichnet man die sprunghafte Änderung der Dichte des Mediums an sich - dort, wo das Flugzeug die Materie wegschiebt, entsteht eine hohe Dichte, während auf der anderen Seite der Stoßwelle die niedrige Dichte der ungestörten Atmosphäre herrscht. Genau dasselbe geschieht, wenn ein Plasma mit hoher Geschwindigkeit in ein langsameres Plasma gedrückt wird, wie es bei den Explosionen der gigantischen Sternen der Fall ist.

Wie nun in den Stoßwellenfronten der Sternexplosionen Elektronen und Positronen beschleunigt werden, erklären die Forscher in ihrem Artikel: Indem sich das Plasma seinen Weg durch den Sternenwind bahnt, entstehen zwei unterschiedliche Regionen, in welchen sich jeweils unterschiedliche Stoßwellen bilden. Auf fast der gesamten Oberfläche sind die Magnetfelder des Sterns senkrecht zu der Geschwindigkeit der Stoßwellenfront ausgerichtet. Hier entsteht ein niederenergetisches Signal von Elektronen und Positronen.

Gleichzeitig ist das Magnetfeld an den Polen des ehemals rotierenden Sterns parallel zur Geschwindigkeit der Stoßwelle ausgerichtet. Hierdurch wird hochenergetische Elektronenstrahlung erzeugt. Beide Komponenten sind in dem beobachteten Spektrum der Elektronen und Positronen sichtbar und die Messungen können mit dem Modell des Forscherteams hervorragend erklärt werden. "Für die dunkle Materie heißt das, dass sie Elektronen und Positronen nicht in gleichem Maße produziert wie die Riesensterne und dass man sie daher an anderer Stelle suchen muss", folgert Becker.

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siehe auch
Kosmische Strahlung: Neue Rätsel um Teilchen aus dem All - 26. November 2008
Kosmische Strahlung: Signale der Dunklen Materie? - 21. November 2008
Links im WWW
Ruhr-Universität Bochum
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