Galaktischer Teilchenbeschleuniger lokalisiert

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Galaktischer Teilchenbeschleuniger lokalisiert
In einer so noch nie da gewesenen Messkampagne ist es gelungen, den
exakten Herkunftsort hochenergetischer Gammastrahlung in der Galaxie
Messier 87 zu bestimmen. Diese Strahlung wird nur durch die hohe
Beschleunigung von Elementarteilchen in gewaltigen kosmischen
Objekten erzeugt. Nun können die zugrunde liegenden physikalischen
Extrembedingungen besser erforscht werden.
Alexandra von Ascheraden
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Das an den Messungen beteiligte
MAGIC-Teleskop in La Palma. (Bild:
Robert Wagner, MPI für Physik)
(Galerie)
Unsere Nachbargalaxie Messier 87 (M87)
beschleunigt Elementarteilchen auf
extrem hohe Energien – Millionen mal
höher als alles, was mit dem
Teilchenbeschleuniger am CERN jemals
möglich wäre. Diese Teilchen tragen zur
kosmischen Strahlung bei, die auf der
Erde gemessen werden kann. Erstmals
konnten Physiker nun lokalisieren, wo
genau die Beschleunigung der Teilchen
stattfindet: ganz in der Nähe des
schwarzen Lochs im Zentrum der
Galaxie.
Die kosmische Strahlung wurde schon vor
98 Jahren entdeckt, aber da deren
Teilchen in Magnetfeldern abgelenkt
werden, kann man ihre Herkunft nicht direkt messen. Dass M87
Elementarteilchen beschleunigt, war bekannt, weil bei einer solchen
Beschleunigung auch sehr hochenergetische Photonen, so genannte GammaTeilchen, erzeugt werden, die von den Magnetfeldern nicht abgelenkt werden und
deshalb auf direktem Weg zu uns kommen. Mit Cherenkov-Teleskopen kann
diese Strahlung nachgewiesen werden (siehe Kasten). Allerdings haben diese
Teleskope eine Winkelauflösung von nur etwa 0.1 Grad, so dass es nicht möglich
ist, zu unterscheiden, wo genau in M87 die Beschleunigung stattfindet.
Teleskope auf drei Kontinenten
In einer aussergewöhnlichen Messkampagne konnte dies jetzt beantwortet
werden. Während mehr als 120 Stunden beobachteten die weltweit modernsten
Cherenkov Teleskope MAGIC auf La Palma, VERITAS in Arizona und H.E.S.S. in
Namibia die Galaxie M87 während einer besonders aktiven Phase. Gleichzeitig
wurde M87 aber auch mit dem VLBA (Very Long Baseline Array), einem
Zusammenschluss mehrerer über die ganze USA verteilter Radioteleskope mit
sehr hoher Ortsauflösung, beobachtet.
Normalerweise erlauben Radio-Beobachtungen keinen Rückschluss auf die
Beschleunigung von Elementarteilchen, da starke Emissionen im Radio-Bereich
auch viele andere Ursachen haben können. Wie die spontan entstandene
Forschungskollaboration aber in der renommierten Fachzeitschrift Science
berichteten, gelang durch Kombination beider Messungen ein Durchbruch.
Zeitgleich mit den stärksten Gammastrahlungs-Ausbrüchen wurde eine extrem
hohe Aktivität im Bereich der Radiostrahlung gemessen, und dies ausschliesslich
in der Nähe des Schwarzen Lochs. Das deutet darauf hin, dass die Ausbrüche der
Gammastrahlung und der Radiostrahlung durch denselben Prozess erzeugt
wurden und folglich beide in der Nähe des Schwarzen Lochs entstanden sind.
Teilchenphysiker Adrian Biland, Koordinator der ETH-Gruppe, die bei MAGIC
mitarbeitet, erläutert: «Wir haben nun zum allerersten Mal einen deutlichen
Hinweis darauf, wo genau ein Teil der extragalaktischen kosmischen Strahlung
entsteht, über deren Ursprung seit fast hundert Jahren gerätselt wird.»
Die Messkampagne kam zustande, nachdem MAGIC einen gewaltigen Ausbruch
im Bereich der Gammastrahlung beobachtete. Biland erzählt: «Zuvor haben wir
M87 immer mal wieder angeschaut, ohne dabei etwas besonderes zu sehen.» Als
sich dann der Ausbruch ereignete, alarmierten die Wissenschaftler sofort die
Forscher der andern Teleskope, die daraufhin ihre Geräte ebenfalls auf M87
richteten. Allein an den drei beteiligten Cherenkov-Teleskopen arbeiten insgesamt
etwa 400 Wissenschafter, ein Grossteil aller Gammastrahlungs-Astrophysiker der
Welt.
Neben Radio- und Gamma-Strahlung wurde während des Ausbruchs von
Satelliten auch die Röntgenstrahlung von M87 beobachtet. Dass in drei
verschiedenen Energiebereichen ein Strahlungsausbruch gemessen wurde, ist
http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/090817_magic_ava/index[30.10.2011 21:20:17]
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Veröffentlicht: 17.08.09
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Galaktischer Teilchenbeschleuniger lokalisiert
bisher einmalig. Dies Messkampagne erlaubt es, die verschiedenen Modelle zur
Beschreibung solcher Ausbrüche sehr genau zu überprüfen und manche Modelle
auszuschliessen. Charakteristische physikalische Parameter wie Magnetfeldstärke
oder Dopplerfaktor der Emissionsregion können dadurch wesentlich genauer
bestimmt werden.Die
Galaxie Messier 87
M87 ist eine gigantische elliptische so genannte Radiogalaxie, also eine Galaxie,
die besonders im Bereich der Radiofrequenzen strahlt. Sie hat etwa 3 Billionen
mal die Masse unserer Sonne und liegt im Sternbild Jungfrau etwa 50 Millionen
Lichtjahre weit von uns entfernt, ist für kosmische Verhältnisse also sehr nahe.
Im Zentrum befindet sich ein supermassives schwarzes Loch, das rund 6
Milliarden mal schwerer ist als unsere Sonne und gewaltige Energieausbrüche
verursacht. Galaxien dieser Art bezeichnet man als aktive galaktische Kerne.
Das MAGIC-Teleskop
Das MAGIC-Teleskop, an dem die ETH Zürich massgeblich beteiligt ist, steht auf
einem Berg auf der kanarischen Insel La Palma und ist mit einem Spiegel von 17
Metern Durchmesser das grösste Cherenkov-Teleskop der Welt. Es kann
Gammastrahlen nachweisen, die in der Erdatmosphäre absorbiert werden und
deshalb nicht direkt registrierbar sind. Das geht so: Ein hochenergetisches
Gamma-Teilchen, das in die oberen Schichten der Atmosphäre eindringt,
wechselwirkt mit den Atomen der Atmosphäre und wird dabei in ein Elektron und
dessen Antiteilchen, ein Positron, umgewandelt. Die geladenen Elektronen und
Positronen wiederum erzeugen mittels des so genannten BremsstrahlungsProzesses weitere Gammas, die ihrerseits wieder in Elektron-Positron Paare
zerfallen. Dies führt zu einer Art Schneeballsystem, in dem immer mehr Teilchen
erzeugen werden. Es entsteht ein so genannter Luftschauer.
Die fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegenden geladenen Teilchen in diesem
Luftschauer senden so genanntes Cherenkov-Licht aus, das für wenige Milliardstel
Sekunden eine Fläche von etwa hundert Metern Durchmesser beleuchtet. Einen
Teil dieses Lichts sammelt MAGIC mit seinen 934 Alu-Spiegeln ein und kann so
die extrem schwachen Spuren der Cherenkov-Lichtblitze nachweisen. In der
Brennebene des Teleskops werden die gesammelten Photonen auf eine
elektronische Kamera fokussiert, die eine Belichtungszeit von weniger als eine
Milliardstel Sekunde hat. Ultraschnelle optische Glasfasern sorgen für eine
beinahe verlustfreie Übertragung der in der Kamera erzeugten Impulse zu den
Computern der Forscher.
Zur Zeit wird ein fast baugleiches MAGIC-II Teleskop auf La Palma in Betrieb
genommen. Durch die schon in wenigen Wochen möglichen StereoBeobachtungen wird die Empfindlichkeit des Systems nochmals deutlich
verbessert werden.
Das Fernziel ist aber der Bau des Cherenkov-Telescope-Arrays (CTA), ein
gesamteuropäisches Projekt zum Bau eines Gammastrahlungs-Observatoriums
das mindestens zehn mal empfindlicher als die heutigen Geräte sein und einen
deutlich erweiterten Energiebereich abdecken soll.
Literaturhinweis
Acciari VA et al. (The VERITAS, H.E.S.S., MAGIC Collaborations and the VLBA 43
GHz M87 Monitoring Team). Radio Imaging of the Very-High-Energy Gamma-Ray
Emission Region in the Central Engine of a Radio Galaxy. Science. 24 July 2009;
325 (5939), 444-448. doi:10.1126/science.1175406
Kommentar zu den Forschungsergebnissen:
Begelman M. Astronomy: A Flare for Acceleration. Science. 24. July 2009; 325
(5939), 399-400. doi:10.1126/science.1176908
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http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/090817_magic_ava/index[30.10.2011 21:20:17]
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