Integral: Zehn Jahre Verfolgung extremer Strahlung im gesamten Universum

Bildunterschrift: Künstlerische Darstellung des umlaufenden Gammastrahlenobservatoriums Integral der ESA. Bildnachweis: ESA

Integral, das internationale Gammastrahlen-Astrophysiklabor der ESA, wurde diese Woche vor zehn Jahren eröffnet. Dies ist ein guter Zeitpunkt, um auf einige der Höhepunkte des ersten Jahrzehnts der Mission zurückzublicken und sich auf ihre Zukunft zu freuen, um die Details des empfindlichsten, genauesten und fortschrittlichsten Gammastrahlenobservatoriums zu untersuchen, das jemals gestartet wurde. Die Mission hat aber auch in letzter Zeit einige aufregende Forschungen über einen Supernova-Überrest durchgeführt.

Integral ist eine wirklich internationale Mission, an der alle Mitgliedstaaten der ESA und der Vereinigten Staaten, Russlands, der Tschechischen Republik und Polens beteiligt sind. Es startete am 17. Oktober 2002 in Baikonur, Kasachstan. Es war das erste Weltraumobservatorium, das gleichzeitig Objekte in Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und sichtbarem Licht beobachtete. Gammastrahlen aus dem Weltraum können nur über der Erdatmosphäre erfasst werden. Integral umkreist die Erde daher alle drei Tage in einer stark elliptischen Umlaufbahn und verbringt die meiste Zeit in einer Höhe von über 60 000 Kilometern – weit außerhalb der Strahlungsgürtel der Erde, um Störungen durch die Erde zu vermeiden Hintergrundstrahlungseffekte. Es kann Strahlung von weit entfernten Ereignissen und von Prozessen erfassen, die das Universum formen. Seine Hauptziele sind Gammastrahlenausbrüche, Supernova-Explosionen und Regionen im Universum, von denen angenommen wird, dass sie schwarze Löcher enthalten.

5 Meter hoch und mehr als 4 Tonnen schwer Integral besteht aus zwei Hauptteilen. Das Servicemodul ist der untere Teil des Satelliten, der alle zur Unterstützung der Mission erforderlichen Raumfahrzeug-Subsysteme enthält: die Satellitensysteme, einschließlich Solarenergieerzeugung, Energiekonditionierung und -steuerung, Datenverarbeitung, Telekommunikation und Wärme-, Lage- und Umlaufbahnsteuerung. Das Nutzlastmodul ist am Servicemodul montiert und trägt die wissenschaftlichen Instrumente. Es wiegt 2 Tonnen und ist damit das schwerste, das jemals von der ESA in die Umlaufbahn gebracht wurde, da die Detektoren eine große Fläche benötigen, um spärliche und durchdringende Gammastrahlen einzufangen und die Detektoren vor Hintergrundstrahlung zu schützen, um sie empfindlich zu machen. Es gibt zwei Hauptinstrumente, die Gammastrahlen erfassen. Ein Imager, der einige der schärfsten Gammastrahlenbilder erzeugt, und ein Spektrometer, das die Gammastrahlenergien sehr genau misst. Zwei weitere Instrumente, ein Röntgenmonitor und eine optische Kamera, helfen bei der Identifizierung der Gammastrahlenquellen.

Während seiner zehnjährigen Mission hat Integral die zentrale Region unserer Milchstraße, die Galaktische Ausbuchtung, die reich an variablen hochenergetischen Röntgen- und Gammastrahlenquellen ist, detailliert kartiert. Das Raumschiff hat zum ersten Mal den gesamten Himmel auf die spezifische Energie abgebildet, die durch die Vernichtung von Elektronen mit ihren Positronen-Antiteilchen erzeugt wird. Laut der von Integral beobachteten Gammastrahlenemission werden pro Sekunde in der Nähe des Galaktischen Zentrums etwa 15 Millionen Billionen Billionen Elektronen- und Positronenpaare vernichtet, was mehr als dem Sechstausendfachen der Leuchtkraft unserer Sonne entspricht.

Eine Black-Hole-Binärdatei, Cygnus X-1, ist derzeit dabei, einen Begleitstern in Stücke zu reißen und sein Gas zu verschlingen. Integral untersuchte diese extrem heiße Materie nur eine Millisekunde, bevor sie in die Kiefer des Schwarzen Lochs eintaucht, und entdeckte, dass ein Teil davon möglicherweise entlang strukturierter Magnetfeldlinien entweicht. Bei der Untersuchung der Ausrichtung der Wellen energiereicher Strahlung, die vom Krebsnebel ausgeht, stellte Integral fest, dass die Strahlung stark auf die Rotationsachse des Pulsars ausgerichtet ist. Dies impliziert, dass ein erheblicher Teil der Partikel, die die intensive Strahlung erzeugen, aus einer extrem organisierten Struktur stammen muss, die sehr nahe am Pulsar liegt, möglicherweise sogar direkt von den starken Jets, die aus dem sich drehenden Sternkern herausstrahlen.

Erst heute berichtete die ESA, dass Integral den ersten direkten Nachweis von radioaktivem Titan im Zusammenhang mit Supernova-Überresten 1987A durchgeführt hat. Supernova 1987A, in der großen Magellanschen Wolke gelegen, war nah genug, um im Februar 1987 mit bloßem Auge gesehen zu werden, als sein Licht zum ersten Mal die Erde erreichte. Supernovae können aufgrund der enormen Energiemenge, die bei der Explosion freigesetzt wird, für kurze Zeit so hell wie ganze Galaxien leuchten. Nach dem Abklingen des ersten Blitzes ergibt sich die Gesamtleuchtkraft jedoch aus dem natürlichen Zerfall der bei der Explosion erzeugten radioaktiven Elemente. Der radioaktive Zerfall könnte den leuchtenden Überrest um Supernova 1987A in den letzten 20 Jahren angetrieben haben.

Während des Höhepunkts der Explosion wurden Elemente von Sauerstoff bis Kalzium nachgewiesen, die die äußeren Schichten des Auswurfs darstellen. Bald darauf konnten Signaturen des Materials aus den inneren Schichten beim radioaktiven Zerfall von Nickel-56 zu Kobalt-56 und seinem anschließenden Zerfall zu Eisen-56 beobachtet werden. Nach mehr als 1000 Stunden Beobachtung durch Integral wurden nun erstmals hochenergetische Röntgenstrahlen von radioaktivem Titan-44 im Supernova-Rest 1987A nachgewiesen. Es wird geschätzt, dass die Gesamtmasse von Titan-44, die unmittelbar nach dem Kernkollaps des Vorläufer-Sterns von SN1987A produziert wurde, 0,03% der Masse unserer eigenen Sonne betrug. Dies liegt nahe an der Obergrenze der theoretischen Vorhersagen und fast doppelt so hoch wie im Supernova-Rest Cas A, dem einzigen anderen Rest, in dem Titan-44 nachgewiesen wurde. Es wird angenommen, dass sowohl Cas A als auch SN1987A Ausnahmefälle sein können

Christoph Winkler, Integral Project Scientist der ESA, sagt: "Zukünftige Wissenschaft mit Integral könnte die Charakterisierung von energiereicher Strahlung aus einer Supernova-Explosion in unserer Milchstraße beinhalten, ein Ereignis, das längst überfällig ist."

Erfahren Sie hier mehr über Integral
und über Integrals Studie von Supernova 1987A hier

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