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KREBSNEBEL
Funkenschlag im Pulsarwind
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
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22. November 2017

Der Krebsnebel im Sternbild Stier dürfte mit zu den am besten untersuchten Objekten am Nachthimmel zählen. Trotzdem sind die Vorgänge in diesem Supernova-Überrest noch nicht vollständig verstanden: So konnte man sich bislang nicht erklären, wie es zu den beobachteten Ausbrüchen hochenergetischer Gammastrahlen kommt. Nun haben Physiker eine Theorie vorgestellt.

M1

Der Krebsnebel (M1) - Komposit aus Aufnahmen bei verschiedenen Wellenlängen: Infrarot (rot, Spitzer) sichtbares Licht (grün, Hubble), Röntgen (hellblau, Chandra). Bild: NASA  [Großansicht]

Der Krebsnebel (Messier 1, M1) ist der Überrest einer spektakulären Supernova, die im Jahre 1054 nach Christus im Sternbild Stier aufleuchtete. Die Sternexplosion hinterließ im Zentrum den Krebspulsar, einen Neutronenstern von 1,4 bis 2 Sonnenmassen mit einem Durchmesser von nur 10 bis 30 Kilometern, der sich sehr schnell (gut 30 Mal pro Sekunde) um seine Achse dreht. Er besitzt ein starkes Magnetfeld, dessen Achse gegenüber der Rotationsachse geneigt ist und so im Magnetfeld gefangene geladene Teilchen mitführt.

Aus den zentralen Bereichen geht ein "Pulsarwind" aus – ein Plasmastrom aus relativistischen Elektronen und ihren Antiteilchen (Positronen). Ihre Energie beziehen sie aus der Rotation des Neutronensterns mit seiner geneigten Magnetosphäre, die wie ein Quirl den Pulsarwind-Nebel durchrührt und hochfrequente elektromagnetische Wellen abstrahlt.

Wo der Pulsarwind in einigen Lichtmonaten Entfernung vom Zentrum auf die äußeren Bereiche des Krebsnebels trifft, bildet sich eine Stoßfront. Die auf extrem hohe Energien beschleunigten Elektronen und Positronen produzieren schließlich die ausgedehnte nicht-thermische Strahlung des Krebsnebels. Diese sehr effizienten Prozesse machen ihn zu einer der hellsten Quellen hochenergetischer Gammastrahlung, wobei der Pulsar im hohen und der Nebel vorwiegend im sehr hohen Energiebereich leuchten.

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Neben dem regulären Pulsieren der Gammastrahlung, die vom Krebsnebel ausgeht, hat unter anderem der Fermi-Satellit in den "Dunkelphasen" unregelmäßige Eruptionen (sogenannte Flares) im hohen Energiebereich – gleichsam ein Flackern des Gammalichts – beobachtet. Diese waren in mehrfacher Hinsicht für die Astrophysiker rätselhaft: Ihre rasche Variation innerhalb von Stunden schränkt den Ursprung auf ein sehr kleines Gebiet ein, etwa von der Größe unseres Sonnensystems (also im Bereich einiger Lichtstunden), da sich keine Störung schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Zudem wurde Gammalicht bei Energien beobachtet, die bis zu viermal über denen liegen, die nach bisherigem Verständnis im Elektron-Positron-Plasma des Pulsarwinds erreicht werden.

John Kirk und Gwenael Giacinti vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik haben nun mit einem neuen theoretischen Modell einen Mechanismus gefunden, der das beobachtete Spektrum der Gamma-Flares und ihre typische Zeitdauer erklärt. Hierzu nahmen die Forscher an, dass der Pulsarwind in seinem Ursprung nicht kontinuierlich gespeist wird, sondern Fluktuationen aufweist. Diese bilden "Blasen" im Plasma mit erheblich geringerer Dichte – bis zu einem Faktor von einer Million.

Die Rechnungen zeigen nun, dass auf dem Weg zur Schockfront die wenigen Teilchen durch Induktion insgesamt die gleiche Energiemenge aufnehmen, aber dafür die Energie pro Teilchen entsprechend höher ist. Die plötzliche Verringerung der Anzahl von Ladungsträgern wirkt so ähnlich, wie bei einem induktiven Stromkreis die Unterbrechung des Stroms eine Spannungsspitze erzeugt. Dieser Induktionseffekt ist für die bekannten Funken beim Öffnen des Schalters für einen Elektromagneten verantwortlich (Funkeninduktor) – ein Anwendungsbeispiel sind Zündkerzen für Ottomotoren.

Treffen nun diese hochenergetischen Elektronen und Positronen auf die Stoßfront, so werden sie dort magnetisch abgelenkt und geben ihre Energie in Form von Synchrotronstrahlung ab, die dann als hochenergetisches Gammalicht beobachtet wird. Da die Stoßfront gekrümmt ist, liegt der exakt in Richtung Erde weisende Bereich etwas näher als dessen Umgebung. Der Unterschied liegt in der Größenordnung von Lichtstunden, was zur beobachteten Zeitstruktur der Gammastrahlung passt.

Auch die Form des Spektrums wird durch die neuen Rechnungen gut wiedergegeben. Das neue Modell sagt auch weitere Eigenschaften der Strahlung voraus, etwa die Polarisation, also die Schwingungsrichtung des Gammalichts, welche in naher Zukunft gemessen werden könnten. Es legt zudem nahe, dass ähnliche Gamma-Flares auch in anderen Pulsarwind-Nebeln auftreten.

Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.

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Links im WWW
Fachartikel in den Physical Review Letters
Max-Planck-Institut für Kernphysik
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