Ein erdnaher Mikroquasar entpuppt sich als Quelle starker Strahlung

Die moderne Astronomie hält an der Annahme fest, dass sich die relativistischen Ausflüsse oder Jets, die für die Existenz elektromagnetischer Strahlung besonders hoher Energie verantwortlich sind, in den Kernen erdferner aktiver Galaxien befinden. Die neuesten Daten des HAWC-Observatoriums zeigen jedoch ein anderes Bild der Realität: Jets, die von astrophysikalischen Quellen aus unserem eigenen intragalaktischen „Hinterhof“ gestartet werden, sind ebenfalls Quellen für Gammaphotonen extrem hoher Energie.

Elektromagnetische Strahlung extrem hoher Energie wird nicht nur in den Jets erzeugt, die von aktiven Kernen entfernter Galaxien abgefeuert werden, sondern auch in Jets abfeuernden Objekten innerhalb der Milchstraße, sogenannten Mikroquasaren. Diese neueste Entdeckung von Wissenschaftlern des internationalen High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory (HAWC) verändert das bisherige Verständnis der Mechanismen, die für die Entstehung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung verantwortlich sind, radikal und stellt in der Praxis eine Revolution in der weiteren Untersuchung dar .

Seit der Entdeckung der kosmischen Strahlung durch Victor Hess im Jahr 1912 glauben Astronomen, dass die Himmelskörper, die in unserer Galaxie für die Beschleunigung dieser Teilchen auf höchste Energien verantwortlich sind, Überreste gigantischer Supernova-Explosionen, sogenannte Supernova-Überreste, sind.

Allerdings ergibt sich aus den neuesten Daten des HAWC-Observatoriums ein anderes Bild: Bei den Strahlungsquellen extrem hoher Energie handelt es sich um Mikroquasare. Eine Schlüsselrolle bei der Entdeckung spielten Astrophysiker des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Natur.

Das HAWC-Observatorium wurde am Hang des Vulkans Sierra Negra in Mexiko errichtet mit dem Ziel, eintreffende Teilchen und Photonen aus dem Weltraum bei besonders hohen Energien aufzuzeichnen. Die Anlage besteht aus 300 Wassertanks aus Stahl, die mit Photomultipliern ausgestattet sind, die auf flüchtige Lichtblitze, die sogenannte Tscherenkow-Strahlung, reagieren. Dies entsteht im Tank, wenn ein Teilchen, das sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser bewegt, hineinfällt.

Typischerweise fängt der HAWC Gammaphotonen mit Energien im Bereich von Hunderten von Gigaelektronenvolt bis zu Hunderten von Teraelektronenvolt ein. Dabei handelt es sich um Energien, die bis zu einer Billion Mal größer sind als die Energie sichtbarer Lichtphotonen und über ein Dutzend Mal größer als die Energie von Protonen, die am Beschleuniger des Large Hadronic Collider (LHC) beschleunigt werden.

Die supermassiven Schwarzen Löcher in Quasaren, also die aktiven Kerne mancher Galaxien (Objekte mit enormen Massen, die mehrere Hundert Millionen Sonnenmassen erreichen), beschleunigen und absorbieren Materie aus der sie umgebenden Akkretionsscheibe. Bei diesem Vorgang werden sehr schmale und sehr lange Materieströme, sogenannte Jets, aus der Nähe der Pole des Schwarzen Lochs in beide Richtungen entlang seiner Rotationsachse herausgeschossen. Diese bewegen sich mit Geschwindigkeiten, die oft nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen, was zu Stoßwellen führt – und dort werden Photonen mit extrem hohen Energien erzeugt, die bis zu Hunderten von Teraelektronenvolt erreichen.

Quasare befinden sich in den Kernen anderer Galaxien und gehören zu den Objekten, die sehr weit von uns entfernt sind. Der nächstgelegene (Markarian 231) ist 600 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Dies ist bei Mikroquasaren nicht der Fall. Hierbei handelt es sich um kompakte Doppelsternsysteme, die aus einem massereichen Stern und seinem Materie absorbierenden Schwarzen Loch bestehen und Jets mit einer Länge von Hunderten von Lichtjahren aussenden. Allein in unserer Galaxie wurden bisher mehrere Dutzend solcher Objekte entdeckt.

„Photonen, die von Mikroquasaren detektiert werden, haben normalerweise viel niedrigere Energien als die von Quasaren. Normalerweise sprechen wir von Werten in der Größenordnung von mehreren zehn Gigaelektronenvolt. Mittlerweile haben wir in den Daten, die die Detektoren des HAWC-Observatoriums aufgezeichnet haben, etwas ganz Unglaubliches beobachtet: Photonen, die von einem Mikroquasar stammen, der in unserer Galaxie liegt, und dennoch Energien tragen, die Zehntausende Male höher sind als üblich“, sagt Dr. Sabrina Casanova (IFJ PAN), die – zusammen mit Dr. Xiaojie Wang von der Michigan Tech University und Dr. Dezhi Huang von der University of Maryland war der erste, der die Anomalie beobachtete.

Als Quelle von Photonen mit Energien von bis zu 200 Teraelektronenvolt wurde der Mikroquasar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) gefunden. Es liegt im Hintergrund des Sternbildes Schütze, etwa 20.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Hauptrolle spielt dabei ein Schwarzes Loch mit einer Masse von etwa sechs Sonnenmassen, das Materie vom Sternriesen mit der dreifachen Sonnenmasse anzieht. Die Objekte kreisen um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt und umkreisen einander einmal in knapp drei Tagen.

Interessanterweise ist der vom V4641 Sgr-System emittierte Strahl auf das Sonnensystem gerichtet. In dieser Konfiguration hat ein erdgebundener Beobachter eine relativistisch verzerrte Wahrnehmung der Zeit der Materie am Anfang und Ende des Jets: Seine Vorderseite beginnt jünger zu erscheinen, als sie tatsächlich ist. Dadurch scheint sich der Jet mit Überlichtgeschwindigkeit durch den Raum auszubreiten, im vorliegenden Fall sogar mit der neunfachen Lichtgeschwindigkeit.

„Bezeichnenderweise erweist sich der Mikroquasar V4641 Sgr als kein Einzelfall. Nicht nur von diesem, sondern auch von anderen Mikroquasaren, die vom LHAASO-Observatorium entdeckt wurden, wurden inzwischen extrem energiereiche Photonen nachgewiesen. Es ist daher wahrscheinlich, dass Mikroquasare erheblich zur kosmischen Strahlung beitragen.“ die höchsten Energien in unserer Galaxie“, fügt Dr. Casanova hinzu.

Die neueste Entdeckung ist nicht nur für Wissenschaftler der kosmischen Strahlung von Interesse. Es beweist, dass in relativ geringer Entfernung von der Erde Mechanismen der Jet-Bildung und Produktion ultraenergetischer Photonen ablaufen müssen, die denen in den Kernen aktiver, entfernter Galaxien ähneln, entsprechend der Masse des Schwarzen Lochs skaliert. Diese Prozesse in Mikroquasaren laufen in einem viel menschenfreundlicheren Zeitrahmen ab – über Tage und nicht über Hunderttausende oder Millionen von Jahren.

Darüber hinaus müssen die von Mikroquasaren emittierten Photonen nicht ihren Weg durch die Millionen Lichtjahre des kosmischen Vakuums finden, wo sie bei Wechselwirkungen mit Photonen der allgegenwärtigen kosmischen Hintergrundstrahlung gestreut oder absorbiert werden können. All dies bedeutet, dass Astrophysiker erstmals in der Lage sind, umfassende und praktisch ungestörte Beobachtungen von Prozessen durchzuführen, die für die Entwicklung von Galaxien von entscheidender Bedeutung sind.