NASAs Top 10 Gammastrahlenquellen im Universum

Gammastrahlen sind die energiereichste Form des Lichts im Universum. Einige werden durch transiente Ereignisse, wie Sonneneruptionen und die riesigen Sternexplosionen, die als Supernovae bekannt sind, erzeugt. Andere werden durch stetige Quellen wie die supermassiven Schwarzen Löcher in den Herzen von Galaxien produziert.

Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA hat seit seiner Einführung im Juni 2008 den hochenergetischen Himmel kartiert. Anfang dieses Jahres veröffentlichte das Fermi-Team seinen zweiten Katalog von Quellen, die vom Large Area Telescope (LAT) des Instruments entdeckt wurden, und produzierte ein Inventar von 1.873 Objekten, die im Gammastrahlenlicht leuchten.

Fermi-Wissenschaftler haben kürzlich eine "Top-10-Liste" zusammengestellt, um die Gelegenheit zu verdeutlichen und die Vielfalt der Gammastrahlenquellen aufzuzeigen. Fünf der Quellen auf der Liste sind in unserer eigenen Milchstraße gefunden, während die anderen fünf in fernen Galaxien leben.

Fermis Top-5-Quellen in unserer Galaxie sind:
1. Der Krebsnebel: Der berühmte Krebsnebel im Sternbild Stier ist das Wrack eines explodierten Sterns, dessen Licht 1054 die Erde erreichte. In 6.500 Lichtjahren Entfernung ist der Krebs eines der am meisten untersuchten Objekte am Himmel. [Supernovas: Fotos von Sternenexplosionen]

Im Zentrum einer expandierenden Gaswolke befindet sich der Rest des ursprünglichen Sternkerns, ein super-dichter Neutronenstern (auch Pulsar genannt), der sich 30-mal pro Sekunde dreht. Bis vor kurzem wurde angenommen, dass alle hochenergetischen Emissionen der Krabbe das Ergebnis physikalischer Prozesse in der Nähe des Pulsars sind, der in diesen schnellen Spin eingreift.

Jahrzehntelang betrachteten die meisten Astronomen den Krebsnebel als ein extrem stabiles Leuchtfeuer bei Röntgenenergie. Aber Daten von mehreren Orbit-Instrumenten - einschließlich Fermis Gamma-Ray Burst Monitor - zeigen jetzt unerwartete Variationen. Astronomen haben gezeigt, dass der Nebel seit 2008 bei hohen Energien um 7 Prozent verblasst, eine Reduktion, die wahrscheinlich mit der Umgebung um seinen zentralen Neutronenstern zusammenhängt.

Seit 2007 haben Fermi und der AGILE-Satellit der italienischen Raumfahrtagentur mehrere kurzlebige Gammastrahleneruptionen bei Energien entdeckt, die hunderte Male höher sind als die beobachteten Röntgenvariationen des Nebels. Im April entdeckten die Satelliten zwei der stärksten Gammablitze, die noch aufgezeichnet wurden.

Um diese "Superflares" zu erklären, sagen Wissenschaftler, dass Elektronen in der Nähe des Pulsars auf Energien beschleunigt werden müssen, die tausend Billionen mal größer sind als die von sichtbarem Licht. Das ist weit mehr als das, was der Large Hadron Collider in der Nähe von Genf (Schweiz), dem derzeit leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Erde, leisten kann. [Twisted Physics: 7 überwältigende Ergebnisse]

2. W44:Ein weiterer interessanter Supernova-Überrest, der von Fermi entdeckt wurde, ist W44. Es wird angenommen, dass es etwa 20.000 Jahre alt ist - für eine solche Struktur im mittleren Alter - und befindet sich 9.800 Lichtjahre entfernt im Sternbild Aquila.

Das LAT erkennt nicht nur dieses W44, es zeigt auch superenergetische Gammastrahlen, die von Orten kommen, wo bekannt ist, dass die expandierende Schockwelle des Rests mit kalten, dichten Gaswolken interagiert.

Solche Beobachtungen sind wichtig, um ein seit langem bestehendes Problem in der Astrophysik zu lösen: den Ursprung der kosmischen Strahlung. Kosmische Strahlen sind Teilchen, in erster Linie Protonen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen. Magnetfelder lenken die Teilchen ab, wenn sie durch die Galaxie rasen, und diese Wechselwirkung durchkreuzt ihren Weg und verdeckt ihren Ursprung.

Wissenschaftler können nicht mit Sicherheit sagen, woher die energiereichsten kosmischen Strahlen kommen, aber sie betrachten Supernova-Überreste als vielleicht ihren geläufigsten Ursprung.

Im Jahr 1949 schlug der Physiker Enrico Fermi, der Namensgeber des Fermi-Teleskops, vor, dass die kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie in den Magnetfeldern von Gaswolken beschleunigt wurden. In den folgenden Jahrzehnten zeigten Astronomen, dass die Magnetfelder in der sich ausdehnenden Schockwelle eines Supernova-Überrests genau der beste Ort für diesen Prozess sind.

Bisher deuten LAT-Beobachtungen von W44 und einigen anderen Überresten stark darauf hin, dass die Gammastrahlenemission von beschleunigten Protonen erzeugt wird, wenn sie mit Gasatomen kollidieren.
3. V407 Cygni: V407 Cygni ist ein sogenanntes symbiotisches Doppelsternsystem - eines, das einen kompakten weißen Zwerg und einen roten Riesenstern enthält, der etwa 500 mal so groß ist wie die Sonne.

V407 Cyni liegt etwa 9.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Cygnus. Das System flammt gelegentlich auf, wenn sich Gas vom Roten Riesen auf der Oberfläche des Zwergs ansammelt und schließlich explodiert. Dieses Ereignis wird manchmal als Nova bezeichnet (nach einem lateinischen Begriff, der "neuer Stern" bedeutet).

Als der letzte Ausbruch des Systems im März 2010 erfolgte, überraschte Fermis LAT viele Wissenschaftler, indem er die Nova als brillante Quelle entdeckte. Die Wissenschaftler erwarteten nicht, dass diese Art von Ausbruch die Fähigkeit hatte, hochenergetische Gammastrahlen zu erzeugen.
4. Pulsar PSR J0101-6422: Pulsare - schnell rotierende Neutronensterne - machen etwa 6 Prozent des neuen Katalogs aus. In einigen Fällen kann der LAT Gammastrahlenimpulse direkt detektieren, aber in vielen Fällen wurden Impulse zuerst bei Radiowellenlängen gefunden, basierend auf dem Verdacht, dass eine schwache LAT-Quelle ein Pulsar sein könnte.

PSR J0101-6422 befindet sich im südlichen Sternbild Tucana, dessen schrulliger Name seine Position im Himmel widerspiegelt.

Das Fermi-Team nahm das Objekt ursprünglich als relativ helle, aber nicht identifizierte Gammastrahlenquelle in einem früheren LAT-Katalog wahr. Weil die Verteilung der Gammastrahlenenergien in der Quelle denen ähnelte, die normalerweise in Pulsaren zu sehen sind, haben Radioastronomen in Australien einen Blick darauf mit ihrem Radioteleskop Parkes geworfen.

Pulsare sind Neutronensterne, kompakte Objekte, die mehr Masse als die Sonne in eine Kugel von etwa der Größe von Washington, D.C.Leuchtende Strahlen, die von der schnellen Rotation und dem starken Magnetfeld des Pulsars angetrieben werden, streichen mit jeder Drehung über den Himmel, und Astronomen können diese Strahlen erkennen, wenn sie zufällig in Richtung Erde fegen.

Die Parkes-Studie fand Radiosignale von einem Pulsar, der sich fast 400 Mal pro Sekunde drehte - vergleichbar mit dem Spin eines Küchenmixers - an der gleichen Stelle wie die unbekannte Fermi-Quelle. Mit dieser Information konnte das LAT-Team feststellen, dass das PSR J0101-6422 auch bei Gammastrahlen mit der gleichen unglaublichen Geschwindigkeit blinkt.
5. 2FGL J0359.5 + 5410: Fermi-Wissenschaftler wissen nicht, was sie von dieser Quelle machen sollen, die sich im Sternbild Camelopardalis befindet. Es befindet sich in der Nähe der bevölkerungsreichen Mittelebene unserer Galaxie, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass es tatsächlich ein Objekt in der Milchstraße ist.

Während sein Gammastrahlenspektrum dem eines Pulsars ähnelt, wurden keine Pulsationen detektiert, und es ist nicht mit einem bekannten Objekt bei anderen Wellenlängen assoziiert.

Die fünf wichtigsten Quellen hinter der Milchstraße sind:

1. Centaurus A:Die riesige elliptische Galaxie NGC 5128 befindet sich 12 Millionen Lichtjahre entfernt im südlichen Sternbild Centaurus. Als eine der am nächsten gelegenen aktiven Galaxien beherbergt sie die helle Radioquelle Cen A. Ein Großteil der Radioemission stammt aus Gasblasen mit einer Länge von einer Million Lichtjahren, die vom supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie ausgestoßen wurden. [Fotos: Schwarze Löcher des Universums]

Fermis LAT erkennt hochenergetische Gammastrahlen aus einer ausgedehnten Region rund um die Galaxie, die den Radiowellen entspricht. Die Radioemission kommt von sich schnell bewegenden Partikeln. Wenn ein niederenergetisches Photon mit einem dieser Teilchen kollidiert, erhält das Photon einen Kick, der seine Energie in das Gammastrahlen-Regime auflädt.

Es ist ein Prozess, der mehr nach Billard als nach Astrophysik klingt, aber Fermis LAT zeigt, dass es in Cen A passiert.

2. Die Andromeda-Galaxie (M31): In einer Entfernung von 2,5 Millionen Lichtjahren ist uns die Andromeda-Galaxie die nächste Spiralgalaxie, eine von ähnlicher Größe und Struktur wie unsere eigene Milchstraße. Mit bloßem Auge an einem dunklen Himmel gut sichtbar, ist es auch ein beliebtes Ziel für Himmelsgucker.

Das LAT-Team erwartete, M31 zu entdecken, weil es unserer eigenen Galaxie so ähnlich ist, die ein helles Band diffuser Emission besitzt, das das markanteste Merkmal im Gammastrahlenhimmel erzeugt. Diese Gammastrahlen entstehen meist, wenn hochenergetische kosmische Strahlen in das Gas zwischen Sternen einschlagen.

"Es hat zwei Jahre LAT-Beobachtungen gebraucht, um M31 nachzuweisen", sagte Jürgen Knödlseder vom Forschungsinstitut für Astrophysik und Planetologie in Toulouse, Frankreich, in einer Stellungnahme. Er war Gastwissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien und arbeitete an der M31-Studie.

"Wir schlossen daraus, dass die Andromeda-Galaxie weniger kosmische Strahlung hat als unsere eigene Milchstraße, wahrscheinlich weil M31 Sterne bildet - einschließlich jener, die als Supernovae sterben, die kosmische Strahlung erzeugen - langsamer als unsere Galaxie", fügte Knödlseder hinzu.

3. Die Zigarrengalaxie (M82): Was für die Andromeda-Galaxie funktioniert, funktioniert noch besser für M82, eine sogenannte Starburst-Galaxie, die auch von Amateurastronomen favorisiert wird. M82 befindet sich 12 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Ursa Major.

Die zentrale Region von M82 bildet junge Sterne mit einer etwa zehnmal höheren Geschwindigkeit als die Milchstraße, eine Aktivität, die auch eine hohe Rate von Supernovae garantiert, da die kurzlebigsten Sterne explosive Ziele erreichen.

Irgendwann wird M82s Superkraft-Sternentstehung nachlassen, da das Gas, das benötigt wird, um neue Sterne zu erzeugen, verbraucht wird, aber das könnte in Zukunft Millionen von Jahren dauern. Für jetzt ist es eine helle Quelle von Gammastrahlen für Fermi.

4. Blazar PKS 0537-286: Im Kern einer aktiven Galaxie befindet sich ein massives schwarzes Loch, das Teilchenstrahlen antreibt, die sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Astronomen nennen die Galaxie einen Blazar, wenn einer dieser Jets auf uns gerichtet ist - die beste Aussicht, um dramatische Fackeln zu sehen, wenn sich die Bedingungen innerhalb des Jets ändern. [Video: Von Blazaren und schwarzen Löchern]
PKS 0537-286 ist ein variabler Blazar im Sternbild Löwe und das zweitfernste LAT-Objekt. Astronomen haben festgestellt, dass die Galaxie mehr als 11,7 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt.

Der Blazar ist die am weitesten aktive Galaxie im Fermi-Katalog, um Variabilität zu zeigen. Astronomen beobachten Veränderungen im Jet, der vom supermassiven Schwarzen Loch dieser Galaxie angetrieben wird, als das Universum nur 2 Milliarden Jahre alt war (es ist jetzt etwa 13,7 Milliarden Jahre alt).

5. 2FGL J1305.0 + 1152: Der letzte Gegenstand ist ein weiteres mysteriöses Objekt, eines im Sternbild Jungfrau und hoch über der Mittelebene unserer Galaxie. Es bleibt schwach, selbst nach zwei Jahren LAT-Beobachtungen.

Ein Anhaltspunkt für die Klassifizierung dieser Objekte liegt in ihrem Gammastrahlenspektrum, dh der relativen Anzahl von Gammastrahlen, die bei verschiedenen Energien beobachtet werden. Bei einiger Energie zeigen die Spektren vieler Objekte, was Astronomen eine "Spektralunterbrechung" nennen, eine mehr als erwartete Abnahme der Anzahl von Gammastrahlen, die bei steigenden Energien beobachtet werden.

Wäre dieses Objekt ein Pulsar, würde es bei höheren Energien schnell abschneiden. Viele Blazare weisen viel mehr graduelle Cutoffs auf. Aber 2FGL J1305.0 + 1152 zeigt überhaupt keinen Hinweis auf eine spektrale Pause und hinterlässt seine Natur ein wahres Rätsel - zumindest für jetzt.