Kosmischer Teilchenbeschleuniger erreicht theoretische Grenze

Mit Hilfe spezieller Teleskope haben Forscher einen kosmischen Teilchenbeschleuniger wie nie zuvor beobachtet. Beobachtungen mit dem Gammastrahlen-Observatorium HESS in Namibia zeigen erstmals den Ablauf eines Beschleunigungsprozesses in einem als Nova bezeichneten Sternprozess, der aus gewaltigen Eruptionen auf der Oberfläche eines Weißen Zwergs besteht. Eine Nova erzeugt eine Schockwelle, die durch das umgebende Medium reißt, Partikel mit sich zieht und sie auf extreme Energien beschleunigt. Überraschenderweise scheint die Nova „RS Ophiuchi“ Teilchen dazu zu bringen, sich auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die das theoretische Limit erreichen, was idealen Bedingungen entspricht. Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.

Weiße Zwerge sind ausgebrannte alte Sterne, die in sich zusammengefallen sind und sich zu äußerst kompakten Objekten entwickeln. Novae-Ereignisse treten beispielsweise auf, wenn sich ein Weißer Zwerg in einem Doppelsternsystem mit einem großen Stern befindet und der Weiße Zwerg aufgrund seiner Schwerkraft Material von seinem massereicheren Begleiter sammelt. Sobald das gesammelte Material ein kritisches Niveau überschreitet, löst es eine thermonukleare Explosion auf der Oberfläche des Weißen Zwergs aus. Es ist bekannt, dass sich einige Novae wiederholen. RS Ophiuchi ist eine dieser wiederkehrenden Novae; Alle 15 bis 20 Jahre kommt es auf seiner Oberfläche zu einer Explosion. „Die Sterne, die das System bilden, sind ungefähr gleich weit voneinander entfernt wie die Erde und die Sonne“, erklärt Alison Mitchell, Forscherin an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Projektleiterin des HESS-Nova-Programms. „Als die Nova im August 2021 explodierte, ermöglichten uns die HESS-Teleskope zum ersten Mal, eine galaktische Explosion in sehr hochenergetischer Gammastrahlung zu beobachten“, fährt sie fort.

Die Forschungsgruppe beobachtete, dass die Teilchen auf Energien beschleunigt wurden, die mehrere hundert Mal höher waren als bisher in Novae beobachtet. Zudem wurde die durch die Explosion freigesetzte Energie äußerst effizient in beschleunigte Protonen und schwere Kerne umgewandelt, sodass die Teilchenbeschleunigung die in theoretischen Modellen berechneten Maximalgeschwindigkeiten erreichte. Ruslan Konno, einer der Erstautoren der Studie und Doktorand bei DESY in Zeuthen: „Die Beobachtung, dass die theoretische Grenze der Teilchenbeschleunigung tatsächlich in echten kosmischen Schockwellen erreicht werden kann, hat enorme Implikationen für die Astrophysik Der Beschleunigungsprozess könnte bei ihren viel extremeren Verwandten, den Supernovae, genauso effizient sein.“

Beim Ausbruch von RS Ophiuchi konnten die Forscher erstmals die Entwicklung der Nova in Echtzeit verfolgen und so die kosmische Teilchenbeschleunigung wie in einem Film beobachten und studieren. Bis zu einem Monat nach der Explosion konnten die Forscher hochenergetische Gammastrahlen messen. „Das ist das erste Mal, dass wir solche Beobachtungen durchführen konnten, und es wird uns ermöglichen, zukünftig noch genauere Einblicke in die Funktionsweise kosmischer Explosionen zu gewinnen“, erklärt Dmitry Khangulyan, theoretischer Astrophysiker an der Rikkyo-Universität in Tokio. Japan. „Wir könnten zum Beispiel entdecken, dass Novae zum allgegenwärtigen Meer kosmischer Strahlung beitragen und daher einen erheblichen Einfluss auf die Dynamik ihrer unmittelbaren Umgebung haben.“ Kosmische Strahlen sind gewaltige Schauer energetischer subatomarer Teilchen, die gleichzeitig aus allen Richtungen im Raum kommen und deren genaue Herkunft unklar ist.

Für diese Messungen waren spezielle Teleskope erforderlich. Die HESS-Anlage (steht für High Energy Stereoscopic System) in Namibia besteht aus fünf Cherenkov-Teleskopen, die zur Untersuchung von Gammastrahlen aus dem All verwendet werden. Eine neue, hochempfindliche, hochmoderne Kamera – bekannt als FlashCam – wurde kürzlich im größten Teleskop installiert. Das FlashCam-Design wird derzeit für das Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array (CTA), weiterentwickelt. „Seit Ende 2019 ist die neue Kamera im Einsatz, und diese Messung zeigt, wie viel Potenzial die neueste Kamerageneration hat“, erklärt Simon Steinmaßl, Doktorand am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der an der Studie beteiligt war Analysieren der Kameradaten.

Die Teleskope wurden sehr kurzfristig auf die Nova ausgerichtet, nachdem Amateurastronomen die Nova erstmals der Astrophysik-Community gemeldet hatten. Der Erfolg der Beobachtung war zu einem nicht geringen Teil auf die schnelle Reaktion der Forscher und der breiteren astronomischen Gemeinschaft zurückzuführen, die den Weg für umfangreiche Folgebeobachtungen ebnete. HESS-Direktor Stefan Wagner, Professor an der Landessternwarte Heidelberg, erklärt: „In den nächsten Jahren wird die Forschung mit den CTA-Teleskopen zeigen, ob diese Art von Nova etwas Besonderes ist.“ Darüber hinaus haben die Forscher jetzt eine klarere Vorstellung davon, wonach sie suchen müssen. Dadurch ergeben sich eine Reihe neuer Möglichkeiten, Ereignisse im Zusammenhang mit Novae besser zu verstehen und besser erklären zu können. „Diese Messung ist ein weiterer Erfolg in der Gammastrahlenastronomie und ein ermutigendes Zeichen dafür, dass wir mit HESS und Gammastrahlenteleskopen der Zukunft noch viele weitere kosmische Explosionen untersuchen können.“