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KOSMISCHE STRAHLUNG
Teilchenbeschleuniger im All entlarvt
Redaktion / Pressemitteilungen der Universität Innsbruck und des MPIA
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15. Februar 2013

In jeder Sekunde treffen unzählige Partikel der kosmischen Strahlung die Erde. Bei den Teilchen handelt es sich meist um hochenergetische Protonen, deren energiereichste Exemplare von außerhalb des Sonnensystems stammen. Jetzt haben gleich zwei Teams übereinstimmend die Objekte entlarvt, die wie eine Art kosmischer Teilchenbeschleuniger wirken: die Überreste von Supernova-Explosionen.

SN 1006

Der Supernova-Überrest SN 1006 in verschiedenen Wellenlängen: Radiowellen (rot), Röntgen (blau) und sichtbares Licht (gelb). Der untersuchte Bereich befindet sich in der Stoßfront oben rechts. Bild:  NRAO / AUI / NSF / GBT / VLA / Dyer, Maddalena & Cornwell (Radio);  NASA / CXC / Rutgers / G. Cassam-Chenaï, J. Hughes et al. (Röntgen); NOAO / AURA / NSF /CTIO / Middlebury College / F. Winkler und Digitized Sky Survey (sichtbares Licht) [Großansicht]

Fast genau hundert Jahre ist es her, dass Victor Hess die vorwiegend aus Protonen bestehende kosmische Teilchenstrahlung entdeckte, die aus den Tiefen des Weltraums auf die Erde trifft. Die energiereichsten Teilchen dabei stammen von außerhalb unseres Sonnensystems und als ein Ursprungsort wurden schon seit längerem die Überreste von Supernova-Explosionen vermutet.

Supernovae sind gigantische Sternexplosionen am Ende des Lebens bestimmter Sterne. Dabei werden große Teile der Sternatmosphäre oder gleich die gesamte Sternmaterie ins All geschleudert. Auf diese Weise entstehen Supernova-Überreste, die sich im Laufe der Zeit immer weiter ausdehnen.

Wo das herausgeschleuderte Material auf die umgebende interstellare Materie trifft, bilden sich sogenannte Stoßwellen aus, also Regionen, in denen sich Dichte und Temperatur abrupt ändern. Diese expandierenden, hochenergetischen Stoßwellen hatten Astronomen schon seit einiger Zeit als Produzenten der hochenergetischen Teilchenstrahlung in Verdacht.

"Wir sprechen bislang lediglich von einem Paradigma des Ursprunges der Kosmischen Strahlung, das heißt einem vermuteten Zusammenhang zwischen galaktischer kosmischer Strahlung und Explosionen von massereichen Sternen sowie anschließender Teilchenbeschleunigung in der sich ausbreitenden Supernova-Stoßwelle", erklärt Olaf Reimer, Leiter des Instituts für Astro- und Teilchenphysik an der Universität Innsbruck. "Da sich die geladene kosmische Strahlung hauptsächlich aus Protonen zusammensetzt, ist es nahezu unmöglich, von Beobachtungen dieser Protonen auf deren kosmischen Geburtsort zu schließen: Die intergalaktischen Magnetfelder lenken diese Teilchen auf dem Weg zu uns ab und verwischen so Hinweise auf ihren tatsächlichen Ursprung."

Gleich zwei Astronomenteams berichten nun in dieser Woche in der Wissenschaftszeitschrift Science unabhängig voneinander von den ersten eindeutigen Belegen dafür, dass in den Überresten von Supernovae tatsächlich Protonen beschleunigt und so zu kosmischer Strahlung werden. Dazu nutzten eine Gruppe das Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte ESO, die andere Gruppe das NASA-Gammastrahlenteleskop Fermi. Beide Teams nahmen für ihre Untersuchung die Überreste von Supernovae ins Visier.

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Sladjana Nikolić vom Max-Planck-Institut für Astronomie konnte bei Untersuchungen im Rahmen ihrer Doktorarbeit zeigen, dass in den Stoßfrontregionen eines Supernova-Überrests tatsächlich Protonen beschleunigt werden. Bei diesen Protonen handelt es sich noch nicht um die kosmische Teilchenstrahlung selbst, sondern um Vorläuferteilchen, die anschließend durch Wechselwirkung mit der Stoßfront auf die erforderlichen hohen Energien beschleunigt werden und als Teilchenstrahlung hinaus in den Raum fliegen können.

"Dies ist das erste Mal, das wir die physikalischen Prozesse in und um diese Region genauer untersuchen konnten. Wir haben dabei Hinweise auf die Existenz einer erwärmten Region direkt vor der Stoßwelle gefunden, wie sie den gängigen Modellen nach notwendig ist, damit überhaupt kosmische Teilchenstrahlung entstehen kann", erklärt Nikolić. "Außerdem wurde diese Region offenbar auf genau jene Weise erwärmt, wie man es erwarten würde, wenn dort Protonen existieren, welche die Energie aus direkt hinter der Stoßfront gelegenen Regionen in die Bereiche direkt vor der Stoßfront transportieren."

Entscheidend für die neuen Ergebnisse war, dass Nikolić und ihre Kollegen eine neuartige Beobachtungstechnik namens Integralfeldspektroskopie einsetzten. Diese Technik erlaubt es, die Zusammensetzung des Lichts für eine Vielzahl verschiedener Bildpunkte im Bildfeld des Teleskops gleichzeitig zu bestimmen. Sie wurde dabei zum ersten Mal auf einen Supernova-Überrest angewandt. Nikolić und ihre Kollegen nutzten den Spektrografen VIMOS am Very Large Telescope, um für mehr als 100 Punkte in einem kleinen Teilbereich der Stoßfront der Supernova SN 1006 gleichzeitig Spektren zu gewinnen.

Die rund anderthalbjährige Analyse der Daten ergab detaillierte Informationen insbesondere über die Temperaturen vor und hinter der Stoßfront und lieferte wichtige Informationen darüber, wie in Supernova-Überresten kosmische Teilchenstrahlung erzeugt wird.

Auch das Team, in dem der Innsbrucker Astronom Reimer mitarbeitet, konnte jetzt einen wichtigen Nachweis für die Entstehung der kosmischen Strahlung in Supernova-Überresten präsentieren: Mit dem Weltraumteleskop Fermi gelang es den Forschern nämlich, den Protonen am Ort ihrer Beschleunigung nachzuspüren: Eine charakteristische Veränderung im Gammastrahlen-Spektrum verrät Phänomene, bei denen energiereiche Protonen wechselwirken und über zerfallende neutrale Pionen, einem subatomaren Teilchen, Gammastrahlung freisetzen.

"Diese Signatur ist seit Jahrzehnten als 'pion-bump' bekannt und auch bereits im Spektrum der diffusen Gammastrahlung gesehen worden", erläutert Reimer. "Jetzt jedoch wurde sie erstmals in den Spektren einzelner Gammastrahlungsquellen beobachtet - und zwar in den beiden Supernova-Überresten W44 und IC443. Damit können wir eine eindeutige Verbindung zwischen der Existenz energiereicher Protonen am Ort von Supernova-Überresten ausmachen"

Die Beobachtungen wurden mit dem Hauptinstrument von Fermi, dem Large Area Telescope (LAT), gemacht. "Wir können nun davon ausgehen, dass hadronische Teilchenbeschleunigung und Supernova-Überreste zusammenhängen und uns darauf konzentrieren, besser zu verstehen, wie Protonen und schwerere Kerne dort Energie gewinnen", so Reimer. "Kennen wir sämtliche Supernova-Überreste in unserer Milchstraße und verstehen deren lokale kosmische Umgebung besser, werden wir einschätzen können, ob das Problem der galaktischen kosmischen Strahlung endgültig gelöst worden ist."

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Der Ursprung der energiereichen kosmischen Strahlung. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Kosmische Strahlung: Historischer Ballonflug vor 100 Jahren - 8. August 2012
VLT & Chandra: Teilchenbeschleuniger der Milchstraße entlarvt - 26. Juni 2009
Links im WWW
Preprint des Fachartikels über die Fermi-Beobachtungen
Universität Innsbruck
Max-Planck-Institut für Astronomie
ESO
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