Forscher entdecken Mikroquasar in unserer Galaxie

Gewaltige kompakte Quelle hochenergetischer Gammastrahlung
RUB-Astronomen berichten in Science

Eine neuartige Quelle hochenergetischer Gammastrahlung in unserer Milchstraße hat ein internationales Forscherteam der High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Kollaboration entdeckt. Bei dem Objekt, HESS J1825-137, handelt es sich vermutlich um den „Mikroquasar“ LS 5039. Die erstmalige Detektion von Gammastrahlung aus einem Mikroquasar gelang während einer empfindlichen Durchmusterung des zentralen Teils unserer Milchstraße mit den vier zusammengeschalteten Teleskopen der H.E.S.S.-Kollaboration, der u.a. eine Forschergruppe der Weltraum- und Astrophysik der RUB (Prof. Dr. Reinhard Schlickeiser) angehört. Bochumer Autoren dieser Publikation sind Prof. Dr. Reinhard Schlickeiser, Dr. Anita und Dr. Olaf Reimer, Dr. Claudia Schuster und Dr. Mark Siewert. Über ihre Entdeckung berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science.

Gammastrahlung als Signale energetischer Ereignisse

Gammastrahlung wird in der extremen Umgebung kosmischer Teilchenbeschleuniger erzeugt und bietet einzigartige Einblicke in die hochenergetischen Prozesse, die sich in unserem Kosmos abspielen. Die beschleunigten Teilchen senden durch verschiedene physikalische Prozesse hochenergetisches „Licht“ aus. Wie die Gammastrahlung in HESS J1825-137, alias LS 5039, produziert wird, ist bisher unklar.

„Miniatur-Quasare“ in unserer Milchstrasse

LS 5039 ist vermutlich ein „Mikroquasar“, ein System aus zwei Sternen, welche in einem engen Orbit umeinander kreisen. Einer dieser Sterne ist ein relativ normaler Stern, der andere aber hat seinen gesamten Energievorrat verbrannt und ist zu einem kompakten Kern kollabiert. Je nach Art des Sterns ist aus dem Kollaps entweder ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch hervorgegangen. Durch das extreme Schwerkraftfeld dieses Objekts wird Materie von dem Begleitstern abgesaugt, und fällt in spiralförmigen Bahnen auf den kompakten Kern. „Manchmal ist der Materiefluss so groß, dass der kompakte Kern damit ’nicht fertig wird’ und das Material wieder ausstößt, in Form eines kollimierten Materiestrahls, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt“.

Galaxie en miniature

Das Ganze ähnelt einer Miniaturausgabe einer Aktiven Galaxie – eines sog. Quasars, die als Gammastrahlungsemitter bekannt sind. Der Unterschied ist, dass das zentrale Objekt in der Mitte nur einige Sonnenmassen wiegt anstatt Milliarden Sonnenmassen, und dass das Gebilde innerhalb unserer Galaxie angesiedelt ist, statt viele Millionen Lichtjahre entfernt. „Daher nennt man es ’Mikroquasar’“, so Dr. Reimer. Ein Mikroquasar erlaubt es, diese komplexen Phänomene „ganz aus der Nähe“ zu studieren. Nur eine Handvoll solcher Objekte kennt man in unserer Galaxis; eines davon, LS 5039 genannt, wurde jetzt von dem H.E.S.S.-Wissenschaftlerteam als Quelle hochenergetischer Gammastrahlung entdeckt. Einige Eigenschaften des kompakten Sterns in LS 5039 lassen ihn wie einen Neutronenstern erscheinen, andere deuten eher auf ein schwarzes Loch hin. Hinzu kommt die überraschend geringe Geschwindigkeit des ausgestoßenen Materiestrahls von nur 20% der Lichtgeschwindigkeit – sehr schnell für menschliche Begriffe, aber für einen Mikroquasar recht langsam.

Von der Gammastrahlung bis zu ihrem Nachweis

Diese Ergebnisse wurden mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia erzielt. Das System aus vier Teleskopen mit 13 Metern Durchmesser ist das derzeit empfindlichste Nachweisinstrument für hochenergetische Gammastrahlen, Strahlung, deren Energie eine Million mal energiereicher ist als normales Licht. Diese hochenergetischen Gammastrahlen sind schwer nachzuweisen; selbst aus einer starken Quelle trifft nur etwa ein Strahlungsquant pro Monat und Quadratmeter auf unsere Atmosphäre. Die Strahlungsquanten werden in der Erdatmosphäre absorbiert; ihr direkter Nachweis würde daher ein riesiges Satelliteninstrument erfordern. Die H.E.S.S.-Teleskope benutzen einen Trick, um dieses Problem zu umgehen: Sie nutzen die Atmosphäre als Nachweismedium. Wenn Gammaquanten absorbiert werden, senden sie kurze Blitze des sog. Cherenkov-Lichts aus – ein blaues Leuchten, das nur einige Milliardstel Sekunden andauert. Dieses Leuchten wird mit den großen Spiegeln und empfindlichen Photosensoren der H.E.S.S.-Teleskopen aufgefangen. Die Wissenschaftler erzeugen aus diesen Daten dann Bilder astronomischer Objekte im „Licht“ hochenergetischer Gammastrahlen.

Aktuelle Fragen der Hochenergie- und Astroteilchenphysik

Wissenschaftler des Lehrstuhls für Theoretischen Physik IV (Weltraum- und Astrophysik) der Ruhr-Universität Bochum sind seit 2001 aktiv am H.E.S.S. Projekt beteiligt. Hier werden insbesondere aktuelle Fragestellungen der Hochenergie- und Astroteilchenphysik wie Teilchenbeschleunigung und Mechanismen zur Gammastrahlungsproduktion in astronomischen Objekten wie Blasaren, einer Unterklasse aktiver Galaxienkerne, sowie Modelle zur kosmischen Teilchenstrahlung, untersucht.

Titelaufnahme

A. Reimer, O. Reimer, R. Schlickeiser, C. Schuster, M. Siewert: Discovery of Very High Energy Gamma-Rays Associated with an X-ray Binary. In: Science Express, 7. Juli 2005

Weitere Informationen

Prof. Dr. Reinhard Schlickeiser, Dr. Anita Reimer, Lehrstuhl für Theoretische Physik IV, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-22032, Fax: 0234/32-14177, E-Mail: afm@tp4.ruhr-uni-bochum.de