Gamma-Observatorium "INTEGRAL" legt Herz der Milchstraße frei

Internationales Forscherteam entdeckt mit dem ESA-Forschungssatelliten „INTEGRAL“ etwa 100 Objekte im Zentrum unserer Galaxis

Bisher kannte man den Zentralbereich der Milchstraße im niederenergetischen Gamma-Licht nur als ein verschwommenes Band. Jetzt haben europäische Forscher, darunter auch vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, mit dem hochauflösenden Teleskop IBIS an Bord von „INTEGRAL“ (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) festgestellt, dass sich hinter diesem diffusen Leuchten etwa 100 einzelne Himmelsobjekte verbergen. Diese sind die hauptsächliche Quelle des Gamma-Leuchtens und – entgegen bisheriger Annahmen – nur in geringem Maß die Strahlung aus dem interstellaren Raum. Wie die Forscher in der neuen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Nature“ (Nature, 18. März 2004) berichten, gehört knapp die Hälfte der entdeckten Objekte keiner der bisher bekannten Klassen von Gamma-Quellen an, sondern repräsentiert möglicherweise eine völlig neue Art von „Gamma-Strahlern“ im Universum.

Dank der hohen Ortsauflösung und Empfindlichkeit von „INTEGRAL“ ist es damit erstmals gelungen, einzelne Gamma-Quellen im Zentralbereich der Milchstraße zu identifizieren, wo bisherige Gamma-Teleskope nur ein verschwommenes Bild liefern konnten. Dass diffuse niederenergetische Gammastrahlung, vergleichbar der von medizinischen Röntgengeräten, aus dem Zentrum der Milchstraße austritt, hatte man erst Mitte der 1970er Jahre bei Ballon-Experimenten entdeckt. Seither spricht man vom so genannten galaktischen Gamma-Hintergrund.

Ursprünglich glaubte man, diese Strahlung stamme aus dem Raum zwischen den Sternen, dem interstellaren Medium, wo sie durch Wechselwirkungen der kosmischen Teilchenstrahlung mit Gas-Atomen oder auch mit anderen Photonen entstehen könnte. Eine solche Deutung konnte zwar den diffusen Charakter der Gamma-Strahlung erklären, denn Gas ist überall im Universum verteilt, doch nicht die beobachtete Stärke dieser Strahlung: Würde die Gammastrahlung tatsächlich nur durch den vorgeschlagenen Mechanismus entstehen, müsste sie eigentlich schwächer sein, als sie in Wirklichkeit zu beobachten ist. Dieses Rätsel, warum also die Milchstraße im Gammalicht derart hell leuchtet, konnte seit Jahrzehnten nicht gelöst werden.

Jetzt haben die Forscher mit dem hochauflösenden Teleskop IBIS (Imager on Board the Integral Satellite) von „INTEGRAL“ festgestellt, dass die Gammastrahlung aus dem Zentralbereich der Milchstraße im wesentlichen von etwa 100 einzelnen Himmelsobjekten stammt, während die Strahlung aus dem interstellaren Raum dabei nur eine geringe Rolle spielt. Frühere Gamma-Teleskope hatten also nicht die erforderliche Ortsauflösung und Empfindlichkeit, um die einzelnen Quellen aufzulösen, weshalb man nur ein diffuses Leuchten sehen konnte.

Erste Hinweise darauf, dass der galaktische Hintergrund im Zentrum der Milchstraße durch eine größere Zahl einzelner Quellen verursacht wird, wurden bereits im Sommer vergangenen Jahres von SPI/INTEGRAL gefunden und Ende 2003 in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ veröffentlicht. In „Nature“ berichtet das Forscherteam unter Leitung von Francois Lebrun aus Saclay/Frankreich jetzt vom Nachweis von 91 Gamma-Quellen in der Zentralregion der Milchstraße. Zur großen Überraschung der Wissenschaftler gehört etwa die Hälfte dieser Objekte keiner bisher bekannten Klasse von Gamma-Quellen an, sondern könnte eine ganz neue Art von Gammastrahlern repräsentieren.

Erste Hinweise auf die mögliche Existenz einer unbekannten Klasse von kosmischen Gammastrahlen-Quellen gab es schon im Oktober 2003, als „INTEGRAL“ ein merkwürdiges Objekt mit dem Namen IGRJ 16318-4848 entdeckt hatte. Aus den Daten von „INTEGRAL“ sowie vom ESA-Röntgenobservatorium „XMM-Newton“ konnte man schließen, dass man es hierbei wahrscheinlich mit einem Doppelstern-System zu tun hatte, wobei es sich bei einem der Sterne um einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch handelt, dass in eine dicke Hülle aus kaltem Gas und Staub eingebettet ist. Wenn in diesem Doppelsternsystem Gas von dem anderen Stern auf das Schwarze Loch bzw. den Neutronenstern fällt, wird Energie in allen Wellenlängen abgestrahlt – hauptsächlich jedoch im Gamma-Bereich.

Projektleiter Francois Lebrun ist jedoch vorsichtig genug, um daraus voreilige Schlüsse über die jetzt gefundenen Quellen in der Zentralregion der Milchstraße zu ziehen. Denn es kommen auch andere Erklärungen in Frage, die nichts mit Schwarzen Löchern zu tun haben. So kann es sich zum Beispiel auch um die kompakten Überreste von explodierten Sternen handeln, die ihre Energie von sich schnell rotierenden „Sternenkraftwerken“, so genannten Pulsaren, beziehen.

Was auch immer die genaue Natur der Quellen ist, „INTEGRAL“ hat jetzt überzeugend gezeigt, dass die Strahlungsenergie der neuen Objekte nahezu 90 Prozent des gesamten niederenergetischen diffusen Gammahintergrunds aus der Zentralregion der Milchstraße erklärt. Die Strahlung aus dem interstellaren Raum spielt hingegen nur eine geringe Rolle – eine völlig neue Erkenntnis, denn damit stellt sich die Frage, ob solche Objekte überall in der Milchstraße zu finden sind und nicht nur in der Zentralregion. Lebrun meint dazu: „Es ist zwar nahe liegend, unsere bisherigen Ergebnisse auf die gesamte Milchstraße zu extrapolieren. Tatsächlich haben wir aber bisher nur die Zentralregion studiert und das ist ein ganz besonderer Ort in der Milchstraße im Vergleich zu ihrem Rest.“

Was ist als nächstes zu tun? Volker Schönfelder, Leiter der Gamma-Gruppe im Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, erklärt, es sei sehr wichtig, die bisherigen Untersuchungen bei höheren Gamma-Energien durchzuführen. Hochenergetische Messungen sind wichtig, um die Natur der Quellen besser zu verstehen. In diesem Mess-Bereich ist das zweite Gamma-Teleskop auf „INTEGRAL“, das SPI (Spectrometer on INTEGRAL), empfindlicher und effektiver. Inzwischen sind diese Untersuchungen bereits im Gang, so dass man bald die Ergebnisse von IBIS und SPI vergleichen und zusammenfassen kann.

Darüber hinaus wird man nun die Beobachtungen auf den Rest der Milchstraße ausdehnen. Christoph Winkler, der wissenschaftliche Leiter von „INTEGRAL“ bei der ESA, betont: „Wir müssen in Zukunft das ganze Band der Milchstraße durchmustern. Das wird für INTEGRAL zwar ein mühevoller und langwieriger Job. Doch am Ende werden wir über ein Inventar der energiereichsten Himmelsobjekte in der Milchstraße verfügen.“

INTEGRAL
INTEGRAL (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) ist das erste Weltraumobservatorium, das Sternenobjekte gleichzeitig im Gamma-, Röntgen- und optischen Licht beobachten kann. INTEGRAL wurde mit einer russischen „Proton“-Rakete am 17. Oktober 2002 in eine stark elliptische Umlaufbahn um die Erde gebracht. Zu seinen wichtigsten Beobachtungszielen gehören jene Regionen unserer Milchstraße, in denen chemische Elemente produziert werden, sowie kompakte Objekte, wie Schwarze Löcher.

IBIS
IBIS (Imager on Board the INTEGRAL Satellite) liefert schärfere Bilder als jedes bisherige Gammastrahlen-Instrument. Es kann Gamma-Quellen mit einer Genauigkeit von 30 Bogensekunden lokalisieren. Die verantwortlichen Wissenschaftler, die das Instrument gebaut haben, sind P. Ubertini (IAS/CNR, Italien), F. Lebrun (CEA Saclay, Gif sur Yvette, Frankreich) und G. Di Cocco (ITESRE, Bologna, Italien). IBIS verfügt über die erste nicht gekühlte Gammastrahlen-Halbleiter-Kamera, die seine hervorragende Empfindlichkeit garantiert. ISGRI wurde von CEA Saclay, Frankreich, für die ESA gebaut.

SPI
SPI (Spectrometer on INTEGRAL) misst die Energie der Gammastrahlen mit außergewöhnlicher Genauigkeit. Es ist sensibler als jedes frühere derartige Gammastrahlen-Instrument und ermöglicht es, die Energie der Gammastrahlen genau zu bestimmen. Die verantwortlichen Wissenschaftler für Entwicklung und Bau von SPI sind J.-P. Roques (CESR, Toulouse, Frankreich) und V. Schönfelder (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Deutschland).

XMM-Newton
XMM-Newton kann eine größere Zahl von Röntgenquellen am Sternenhimmel detektieren als alle vorherigen Röntgen-Observatorien. XMM hilft, verschiedenen Rätseln in unserem gewaltsamen Universum auf die Spur zu kommen, von den Schwarzen Löchern bis zur Entstehung von Galaxien. XMM wurde am 10. Dezember 1999 mit einer Ariane-5-Rakete von Französisch-Guyana gestartet. Sein Orbit führt ihn weit – etwa ein Drittel der Strecke bis zum Mond – von der Erde weg, was den Astronomen lange und ununterbrochene Beobachtungen von Himmelsobjekten ermöglicht.

Diese Ergebnisse beruhen auf Beobachtungen mit INTEGRAL, einem ESA-Projekt mit Instrumenten und wissenschaftlichen Datenzentren, das finanziert wird von den ESA-Mitgliedsstaaten, speziell den Heimatländern der „Principal Investigators“ (Dänemark, Frankreich, Deutschland, Italien, Schweiz und Spanien), der Tschechischen Republik und Polen, und an dem Russland und die USA beteiligt sind.

Originalveröffentlichung:

F. Lebrun, R. Terrier, A. Bazzano, G. Belanger, A. Bird, L. Bouchet, A. Dean, M. Del Santo, A. Goldwurm, N. Lund, H. Morand, A. Parmar, J. Paul, J.-P. Roques, V. Schonfelder, A. W. Strong, P. Ubertini, R., Walter & C. Winkler
Compact sources as the origin of the soft g-ray emission of the Milky Way
Nature, 18 March 2004

A.W.Strong, L.Bouchet, R.Diehl, P.Mandrou, V.Schoenfelder, B.J.Teegarden
Diffuse Continuum Emission from the Inner Galaxy: First Results from INTEGRAL/SPI
Astronomy and Astrophysics, 411, No. 1, November III, 2003, 447-450

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Volker Schönfelder
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Tel.: 089 30000-3578
Fax: 089 30000-3606
E-Mail: vos@mpe.mpg.de

Monica Talevi
ESA Science Communication Service, Noordwijk, The Netherlands
Tel.: +31 71 565-3223
E-Mail: mtalevi@esa.int