Astronomen haben lange nach den Startplätzen für einige der energiereichsten Protonen in unserer Galaxie gesucht. Jetzt bestätigt eine Studie, die Daten aus 12 Jahren des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA verwendet, dass ein Supernova-Überrest genau ein solcher Ort ist.
Fermi hat gezeigt, dass die Stoßwellen explodierter Sterne Teilchen auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die mit Licht vergleichbar sind. Diese als kosmische Strahlung bezeichneten Teilchen haben meistens die Form von Protonen, können aber auch Atomkerne und Elektronen enthalten. Da sie alle eine elektrische Ladung tragen, werden ihre Pfade durcheinander gebracht, wenn sie durch das Magnetfeld unserer Galaxie huschen. Da wir nicht mehr erkennen können, aus welcher Richtung sie stammen, verschleiert dies ihren Geburtsort. Aber wenn diese Teilchen in der Nähe des Supernova-Überrests mit interstellarem Gas kollidieren, erzeugen sie ein verräterisches Leuchten in Gammastrahlen – dem energiereichsten Licht, das es gibt.
„Theoretiker glauben, dass die energiereichsten Protonen der kosmischen Strahlung in der Milchstraße eine Million Milliarden Elektronenvolt oder PeV-Energien erreichen“, sagte Ke Fang, Assistenzprofessor für Physik an der University of Wisconsin, Madison. „Die genaue Natur ihrer Quellen, die wir PeVatrons nennen, war schwer zu bestimmen.“
Eingefangen von chaotischen Magnetfeldern durchqueren die Teilchen wiederholt die Schockwelle der Supernova und gewinnen mit jedem Durchgang an Geschwindigkeit und Energie. Schließlich kann der Überrest sie nicht mehr halten und sie rasen in den interstellaren Raum.
PeV-Protonen, die auf etwa das Zehnfache der Energie gesteigert wurden, die der weltweit leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider, aufbringt, stehen kurz davor, unsere Galaxie vollständig zu verlassen.
Erkunden Sie, wie Astronomen einen Supernova-Überrest ausfindig gemacht haben, der Protonen mit einer zehnmal höheren Energie abfeuert als der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Erde. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Astronomen haben einige vermutete PeVatrons identifiziert, darunter einen im Zentrum unserer Galaxie. Supernova-Überreste stehen natürlich ganz oben auf der Liste der Kandidaten. Doch von etwa 300 bekannten Überresten wurde nur bei wenigen festgestellt, dass sie Gammastrahlen mit ausreichend hohen Energien aussenden.
Ein besonderes Sternenwrack hat viel Aufmerksamkeit von Gammastrahlenastronomen auf sich gezogen. Sie heißt G106.3+2.7 und ist eine kometenförmige Wolke, die etwa 2.600 Lichtjahre entfernt im Sternbild Cepheus liegt. Ein heller Pulsar bedeckt das nördliche Ende des Supernova-Überrests, und Astronomen glauben, dass beide Objekte bei derselben Explosion entstanden sind.
Das Large Area Telescope von Fermi, sein Hauptinstrument, entdeckte Milliarden-Elektronenvolt (GeV)-Gammastrahlen aus dem verlängerten Schweif des Überrests. (Zum Vergleich: Die Energie des sichtbaren Lichts misst zwischen etwa 2 und 3 Elektronenvolt.) Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) am Fred Lawrence Whipple Observatory im südlichen Arizona zeichnete noch energiereichere Gammastrahlen aus derselben Region auf. Und sowohl das High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory in Mexiko als auch das Tibet AS-Gamma Experiment in China haben Photonen mit Energien von 100 Billionen Elektronenvolt (TeV) aus dem von Fermi und VERITAS untersuchten Gebiet entdeckt.
„Dieses Objekt ist schon seit einiger Zeit von großem Interesse, aber um es als PeVatron zu krönen, müssen wir beweisen, dass es Protonen beschleunigt“, erklärte Co-Autorin Henrike Fleischhack von der Katholischen Universität von Amerika in Washington und dem Goddard Space der NASA Flugzentrum in Greenbelt, Maryland. „Der Haken ist, dass Elektronen, die auf einige hundert TeV beschleunigt werden, dieselbe Emission erzeugen können. Jetzt, mit Hilfe von 12 Jahren Fermi-Daten, glauben wir, dass wir den Beweis erbracht haben, dass G106.3+2.7 tatsächlich ein PeVatron ist.“
Ein von Fang geleitetes Papier mit detaillierten Angaben zu den Ergebnissen wurde am 10. August in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Diese Sequenz vergleicht Fermi-Ergebnisse in drei Energiebereichen. Pulsar J2229+6114 ist die brillante Quelle an der Spitze, der Nordspitze des Supernova-Überrests G106.3+2.7 (grün umrandet). In jedem Energiebereich zeigt die Sequenz zuerst die Anzahl der Gammastrahlen und dann die überschüssigen Mengen im Vergleich zu den Erwartungen aus einem Modell des Hintergrunds. Hellere Farben weisen auf eine größere Anzahl von Gammastrahlen oder übermäßige Mengen hin. Bei den höchsten Energien taucht eine neue Quelle von Gammastrahlen auf, die erzeugt wird, wenn Protonen, die durch die Stoßwelle der Supernova beschleunigt werden, auf eine nahe gelegene Gaswolke treffen. Bildnachweis: NASA/Fermi/Fang et al. 2022
Der Pulsar, J2229+6114, sendet seine eigenen Gammastrahlen in einem leuchtturmähnlichen Leuchtfeuer aus, während er sich dreht, und dieses Leuchten dominiert die Region mit Energien von einigen GeV. Der größte Teil dieser Emission erfolgt in der ersten Hälfte der Rotation des Pulsars. Das Team schaltete den Pulsar effektiv aus, indem es nur Gammastrahlen analysierte, die aus dem letzten Teil des Zyklus kamen. Unterhalb von 10 GeV gibt es keine signifikante Emission vom Schweif des Überrests.
Oberhalb dieser Energie ist die Interferenz des Pulsars vernachlässigbar und die zusätzliche Quelle wird leicht sichtbar. Die detaillierte Analyse des Teams favorisiert mit überwältigender Mehrheit PeV-Protonen als die Teilchen, die diese Gammastrahlenemission antreiben.
„Bisher ist G106.3+2.7 einzigartig, aber es könnte sich als das hellste Mitglied einer neuen Population von Supernova-Überresten herausstellen, die Gammastrahlen aussenden, die TeV-Energien erreichen“, bemerkt Fang. „Weitere von ihnen könnten durch zukünftige Beobachtungen von Fermi und sehr hochenergetischen Gammastrahlen-Observatorien enthüllt werden.“
Die NASA erforscht kosmische Geheimnisse – und dieses spezielle Rätsel erforderte mehr als ein Jahrzehnt modernster Beobachtungen, um es zu lösen.
Ke Fang et al, Beweis für die PeV-Protonenbeschleunigung aus Fermi-LAT-Beobachtungen von SNR G106.3 + 2.7, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.071101