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H.E.S.S.
Der Beschleuniger im Zentrum der Milchstraße
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
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17. März 2016

Mithilfe der H.E.S.S.-Teleskope in Namibia haben Astronomen eine Quelle der hochenergetischen kosmischen Strahlung identifiziert: Die Partikel werden vom supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße beschleunigt. Um allerdings die gesamte Strahlung in diesem Energiebereich erklären zu können, müsste das Schwarze Loch einst aktiver gewesen sein.

Sagittarius A*

Künstlerische Darstellung der Entstehung von Gammastrahlung. Von Sagittarius A* beschleunigte Protonen wechselwirken mit Molekülwolken der Umgebung, was Pionen erzeugt, die zu Gammaphotonen zerfallen. Bild: Dr. Mark Garlick / H.E.S.S. Collaboration [Großansicht]

Seit mehr als zehn Jahren kartographieren die H.E.S.S.-Teleskope in Namibia das Zentrum der Milchstraße in höchstenergetischer Gammastrahlung. Dieses Gammalicht wird von sogenannter kosmischer Strahlung im innersten Bereich unserer Galaxie erzeugt. Mit einer detaillierten Analyse neuester H.E.S.S.-Daten ist es ihnen gelungen, zum ersten Mal eine Quelle galaktischer kosmischer Strahlung mit Petaelektronvolt-Energie zu identifizieren: Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße.

Unsere Erde ist ständig dem Bombardement hochenergetischer Teilchen aus dem Weltall ausgesetzt; dabei handelt es sich um Protonen, Elektronen und Atomkerne, die gemeinhin als "kosmische Strahlung" bezeichnet werden. Die Frage, welche astrophysikalischen Quellen die kosmische Strahlung produzieren, treibt die Wissenschaftler schon seit mehr als einem Jahrhundert um. Das Problem: Die Teilchen sind elektrisch geladen, weshalb sie in interstellaren Magnetfeldern von ihrer geraden Bahn abgelenkt werden. Aus diesem Grund zeigt ihre Ankunftsrichtung nicht auf ihren Produktionsort zurück.

Glücklicherweise jedoch treten die Teilchen der kosmischen Strahlung in der Nähe ihrer Quellen häufig mit interstellarem Gas oder Photonen in Wechselwirkung; dabei wird hochenergetische Gammastrahlung produziert, welche die Erde auf geradem Weg erreicht. Diese Gammastrahlung können die Forscher ausnutzen, um die Quellen der kosmischen Strahlung am Himmel sichtbar zu machen.

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Wenn Gammastrahlung auf die Erdatmosphäre trifft, produziert sie kurze Lichtblitze, die von großen Spiegelteleskopen mit schnellen Lichtsensoren erfasst werden können. Mit dieser Technik wurden in den letzten Jahrzehnten mehr als 100 Quellen hochenergetischer Gammastrahlung am Himmel entdeckt. H.E.S.S., das High Energy Stereoscopic System, welches in Namibia von Wissenschaftlern aus zwölf Nationen betrieben wird, ist das zurzeit empfindlichste Instrument für ihren Nachweis.

Bisher war bekannt, dass kosmische Strahlung mit Energien bis zu etwa 100 Teraelektronvolt, das entspricht etwa dem 1000-Milliardenfachen der Energie des sichtbaren Lichts, in der Milchstraße erzeugt wird, etwa durch Supernova-Überreste und Pulsarwindnebel. Jedoch legen theoretische Argumente und die direkte Vermessung der kosmischen Strahlung nahe, dass diese Teilchen in unserer Galaxie bis zu Energien von mindestens einem Petaelektronvolt, also 1.000 Teraelektronvolt beschleunigt werden sollten.

Doch während in den letzten Jahren zahlreiche Quellen entdeckt wurden, die kosmische Strahlung zu Multi-TeV-Energien beschleunigen, blieb die Suche nach den Beschleunigern der höchstenergetischen galaktischen kosmischen Strahlung bislang erfolglos. Detaillierte Beobachtungen des Zentrums der Milchstraße, die mit den H.E.S.S.-Teleskopen während der letzten zehn Jahre durchgeführt wurden, liefern jetzt erste Antworten.

Schon während der ersten Beobachtungsjahre hatte H.E.S.S. eine starke kompakte Quelle sowie ein ausgedehntes Band diffuser höchstenergetischer Gammastrahlung im galaktischen Zentrum nachgewiesen. Die diffuse Strahlung erstreckt sich über eine Region mit etwa 500 Lichtjahren Durchmesser, die dichte Molekülwolken beinhaltet. Die Gammastrahlung entsteht, wenn kosmische Strahlung mit dem Material der Wolken in Wechselwirkung tritt.

Der Nachweis dieser diffusen Strahlung mit H.E.S.S. ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass sich eine Quelle kosmischer Strahlung in dieser Region befinden muss; die Quelle selbst konnten die Forscher seinerzeit jedoch nicht eindeutig identifizieren. Die Analyse weiterer H.E.S.S.-Beobachtungen aus den Jahren 2004 bis 2013, die die Forscher kürzlich veröffentlichten, warf ein neues Licht auf die Beschleunigungsprozesse im galaktischen Zentrum.

"Die deutlich größere Menge an Beobachtungsdaten und Fortschritte in den Analysetechniken haben es erlaubt, zum ersten Mal sowohl die räumliche Verteilung als auch die Energie der kosmischen Strahlung im galaktischen Zentrum zu vermessen", erläutert Aion Viana vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Mit diesen bisher beispiellosen Messungen sind die Forscher zum ersten Mal in der Lage, auch den Ursprung dieser Teilchen zu bestimmen: "Im Zentrum der Milchstraße gibt es also einen astrophysikalischen Beschleuniger, der Protonen auf Energien von bis zu einem Petaelektronvolt beschleunigt hat, und das kontinuierlich über mindestens 1.000 Jahre", folgert Emmanuel Moulin vom CEA Saclay.

Der Zentralbereich unserer Milchstraße beherbergt viele Objekte, die kosmische Strahlung großer Energie erzeugen können, unter anderem einen Supernovaüberrest, einen Pulsarwindnebel und einen kompakten Sternhaufen. "Dennoch ist das supermassereiche Schwarze Loch im galaktischen Zentrum, das Sagittarius A* genannt wird, die plausibelste Quelle der Petaelektronvolt-Protonen", ist Max-Planck-Wissenschaftler Felix Aharonian überzeugt. "Mehrere Beschleunigungsregionen sind vorstellbar, entweder in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs oder etwas weiter außerhalb, wo ein Teil des Materials, das in Richtung des schwarzen Lochs fällt, wieder herausgeschleudert und möglicherweise in der Umgebung weiter beschleunigt wird."

Die Vermessung der Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum liefert den Wissenschaftlern deutliche Hinweise darauf, dass Sagittarius A* Protonen auf eine Energie von bis zu einem Petaelektronvolt beschleunigt. Die Messungen zeigen aber auch, dass diese Quelle allein den auf der Erde gemessenen Fluss der kosmischen Strahlung nicht aufrechterhalten kann. "Wenn Sagittarius A* aber in der Vergangenheit aktiver war", so Christopher van Eldik von der Universität Erlangen, "dann könnte sie tatsächlich für die gesamte galaktische kosmische Strahlung verantwortlich sein".

Über ihre Untersuchungen berichten die Astronomen jetzt in der Zeitschrift Nature.

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Der Beschleuniger im Zentrum der Milchstraße. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
H.E.S.S.: Gammastrahlenquellen in unserer Nachbargalaxie - 23. Januar 2015
HESS: Kosmischer Teilchenbeschleuniger entdeckt - 5. November 2004
HESS: Auf Teilchenjagd in Namibia - 30. September 2004
HESS: Blaue Blitze aus dem Kosmos - 30. August 2002
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Kernphysik
H.E.S.S. - The High Energy Stereoscopic System
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