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MAGIC
Energiereiche Strahlung aus dem Krebsnebel
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
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14. Januar 2016

Der Neutronenstern im Krebsnebel sendet die energiereichste Lichtstrahlung aus, die je von einem Stern gemessen wurde. Dies ergab die Auswertung von Daten des MAGIC-Teleskops aus mehreren Jahren. Wie genau allerdings diese energiereiche Strahlung in der Umgebung des rotierenden Neutronensterns entstehen kann, ist den Forschern noch nicht ganz klar.

Krebspulsar

Mit seinem enorm starken Magnetfeld (weiße Linien) rotiert der Krebspulsar 30 Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Dabei werden energiereiche Elektronen freigesetzt. Grün bzw. blau unterlegt sind die Regionen, die für die Beschleunigung der Teilchen auf extrem hohe Energien infrage kommen. Der grün markierte Bereich liegt in der Nähe des Magnetfelds, der blaue könnte bis zu 100.000 Kilometer vom Pulsar entfernt sein.  Bild: Patricia Carcelén Marco [Großansicht]

Der Krebsnebel-Pulsar ist der Überrest einer Supernova-Explosion, die im Jahr 1054 zu beobachten war. Der dabei entstandene Neutronenstern hat einen Durchmesser von nur ungefähr zehn Kilometern und rotiert etwa 30 Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Wie ein Leuchtturm sendet er dabei Lichtpulse aus, die sich über das gesamte elektromagnetische Spektrum erstecken - von langen Radiowellen über sichtbares Licht bis hin zu kurzwelligen, energiereichen Gammastrahlen.

Mithilfe des MAGIC-Teleskops auf der Kanareninsel La Palma wurden nun Photonen, also Lichtteilchen entdeckt, deren Energie um ein Vielfaches höher liegt als bisher beobachtet. Bis vor wenigen Jahren ging man davon aus, dass die höchste Energie am Krebspulsar bei 6 GeV (Gigalektronenvolt) liegt. Im Jahr 2008 registrierte das MAGIC-Teleskop ein Energiespektrum von über 25 GeV. 2012 übertrumpfte das Observatorium sein eigenes Ergebnis mit Messungen von 400 GeV. Inzwischen hat MAGIC Gammastrahlen bis zu 1,5 TeV (Teraelektronenvolt) gemessen.

Allerdings können die Forscher noch nicht erklären, wie die geladenen Teilchen auf die extrem hohen Energien beschleunigt werden. "Bei der Erzeugung energiereicher Teilchen spielt das für Neutronensterne typische enorm starke Magnetfeld eine zentrale Rolle, das seinerseits extrem starke elektrische Felder erzeugt", sagt Razmik Mirzoyan, Sprecher des MAGIC-Kollaboration und Projektleiter am Max-Planck-Institut für Physik. "In der magnetisch geladenen, komplexen Atmosphäre des Neutronensterns werden Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bevor sie zerstrahlen. In diesem Modell lassen sich Gammastrahlenergien bis zu wenigen Gigaelektronenvolt als Synchrotron- und Krümmungsstrahlung erklären. Für die jetzt beobachteten Gammapulse von über 1,5 TeV muss es aber einen anderen Mechanismus geben."

 "Wir können extrem energiereiche Gammastrahlen nur dann beobachten, wenn es diesen Elektronen irgendwie gelingt, der komplexen Topologie des Magnetfeldes am Neutronenstern zu entkommen und sich im elektrischen Feld zu beschleunigen", erläutert Mirzoyan. "Dann bilden sie zusammen mit den energieschwächeren Radiowellen und Röntgenstrahlen den Lichtkegel des Pulsars."

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Für die "Flucht" der Gammastrahlen kommt ein indirekter Weg in Frage: Dabei werden nicht die direkt vom Pulsar ausgehenden Elektronen und Positronen gestreut, sondern ihre beschleunigten Abkömmlinge der zweiten oder dritten Generation. Diese entstehen am äußersten Rand des Magnetfeldes in etwa 1.500 Kilometern Höhe. Vereinfacht gesagt, wechselwirken hier energiereiche geladene Teilchen mit UV- und Röntgenstrahlen sowie dem Magnetfeld. Anschließend übertragen die sekundären Teilchen ihre Energie auf niedrigenergetische Photonen und machen sie damit zu energiereichen Gammaquanten – die das Magnetfeld verlassen.

Diese Energieübertragung bezeichnet man als inversen Compton- Mechanismus. Mittels inversem Compton-Effekt könnten sich Gammaphotonen auch im Pulsarwind, weit vom Pulsar entfernt, bilden – wo die beschleunigten Teilchen ebenfalls auf Röntgenstrahlen treffen können. Allerdings kommt die extreme Gammastrahlung exakt zur gleichen Zeit am MAGIC-Teleskop an wie energieärmere Radiowellen oder Röntgenstrahlen – von denen man weiß, dass sie im Inneren des Magnetfelds entstehen.

"Das würde bedeuten, dass die gesamte Strahlung in einer relativ kleinen Region am Rand des Magnetfeldes produziert wird oder die energiereiche Gammastrahlung eine Art 'Erinnerung' an Strahlung niedrigerer Energie behält. Zum heutigen Zeitpunkt kann man annehmen, dass der inverse Compton-Mechanismus die Existenz derart energiereicher Gammastrahlen am Pulsar erklären kann. Langfristig brauchen wir aber neue, detaillierte theoretische Modelle, die das Phänomen beschreiben", so Mirzoyan abschließend.

Für die jetzt in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Ergebnisse haben die an MAGIC beteiligten Wissenschaftler 320 Beobachtungsstunden zwischen Oktober 2007 und April 2014 ausgewertet.

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Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Physik
The MAGIC Telescopes
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