Neue Ergebnisse der Gammaastronomie New results of gamma

Jahrbuch 2006/2007 | Völk, Heinrich J. | Neue Ergebnisse der Gammaastronomie
Neue Ergebnisse der Gammaastronomie
New results of gamma-ray astronomy
Völk, Heinrich J.
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Mithilfe der Gammaastronomie w erden die höchsten Photonenenergien im Universum untersucht, und damit
insbesondere auch die energiereichsten Objekte und Prozesse, die sie erzeugen. Das H.E.S.S.-Experiment in
Namibia erforscht den Himmel bei diesen Energien. Über einige der neuen Ergebnisse und ihre Interpretation
w ird hier berichtet.
Summary
Gamma-ray astronomy measures the highest-energy photons from the Universe and thus the most energetic
objects and processes w hich generate them. The H.E.S.S. experiment in Namibia investigates the sky at those
energies. Several of the new results and their interpretation are reported here.
Unter Führung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik betreiben in Namibia im südlichen Afrika etw a hundert
W issenschaftler aus Europa und Afrika ein System von vier Teleskopen, das so genannte H.E.S.S.-Experiment
(Abb. 1), dessen neue Ergebnisse w eltw eite Aufmerksamkeit finden. Die hier beschriebene Ausw ahl aus
diesen Ergebnissen bezieht sich auf das Gebiet um das Zentrum unserer Milchstraße, auf Supernovaüberreste
als die Quellen der Kosmischen Strahlung und auf die Durchmusterung der Galaktischen Ebene als den Beginn
der Untersuchung ganzer Populationen von Quellen, also typischer Objekte.
Die H.E.S.S.-Teleskope registrieren eine sekundäre optische Strahlung, die ein aus dem Weltraum auf die
Atmosphäre treffendes kosmisches Gammaquant sehr hoher Energie erzeugt. Dieses nach seinem Entdecker
genannte Cherenkov-Licht erreicht bei klarem Himmel den Erdboden und w ird dort von den Teleskopen als
kurzer Lichtblitz aufgefangen und registriert. Es ist aber nicht nur der meist klare, dunkle Himmel über Namibia,
der den Standort der Teleskope dort astronomisch begründet, sondern darüber hinaus die Tatsache, dass auf
der Südhalbkugel, am Wendekreis des Steinbocks, auch der Zentralbereich unserer Milchstraße in idealer
W eise beobachtet w erden kann.
Der Energiebereich der Gammaquanten ist nach oben nicht begrenzt. Der Fluss solcher Photonen aus dem
Weltall
nimmt
allerdings
mit
zunehmender
Energie
stark
ab.
Die
höchsten
bislang
gemessenen
Gammaenergien betragen etw a 10 14 Elektronenvolt (eV) – das sind grob 14 Größenordnungen mehr als die
Energie
eines optischen Photons von der Sonne! Andererseits kann das H.E.S.S.-Experiment keine
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Gammaquanten unterhalb von 10 11 eV nachw eisen. Der entsprechende Energiebereich umfasst also knapp 3
Zehnerpotenzen. (Für w eitere Einzelheiten, siehe [1].)
Die vie r 13-m -Te le sk ope de s High Ene rgy Ste re oscopic
Syste m (H.E.S.S.) be finde n sich a uf de r Fa rm Göllscha u im
na m ibische n Khom a s-Hochla nd a uf 1800 m Me e re shöhe und
sind se it 2003 in volle m Be trie b. De r Na m e de s P roje k ts we ist
zugle ich a uf de n P hysik e r Victor F. He ss (1883-1964) hin, de r
im Ja hr 1912 die Kosm ische Stra hlung e ntde ck te .
© Ma x -P la nck -Institut für Ke rnphysik
Das Nichtthermische Universum
W ie kommt es zu solch enormen Energien von Lichtquanten? Und w o treten sie auf?
Die Lichtemission von Sternen w ird von Kernprozessen im tiefen Inneren gespeist, erfolgt dann aber bei sehr
viel niedrigeren Energien unterhalb von einigen 10 eV durch die Atome und Moleküle der Sternatmosphäre.
Das „kalte“ interstellare Gas und der Staub strahlen bei noch deutlich niedrigeren Energien.
W ird das Gas mechanisch geheizt, indem zum Beispiel schnelle Gasströme, die von Supernovaexplosionen
oder Sternw inden herrühren, in Stoßw ellen abgebremst w erden, w odurch die kinetische Energie der Teilchen
in thermische Energie übergeht, so kann die Temperatur des Gases sehr viel höhere Werte erreichen –
typischerw eise einige tausend oder sogar zehntausende von Elektronenvolt. Die allgemeine Meinung ist
heute, dass ein großer Teil des Universums durch schnelle Gasströmungen mechanisch aufgeheizt w ird – sei
es durch gravitative Akkretion oder durch Massenverlust von Sternen, Schw arzen Löchern und Galaxien, also
durch Prozesse, bei denen sehr große Energiemengen freigesetzt w erden.
Zusammen mit solcher Heizung w erden aber meist auch hochenergetische geladene Teilchen erzeugt, die
zw ar miteinander nicht stoßen und daher keine thermische Energieverteilung bekommen, aber mit kollektiven
Anregungen des in die Gasströmung eingebetteten Magnetfelds „Stöße“ machen. Die Verteilung der Energien
entspricht typischerw eise einem Potenzgesetz in der Energie, das bis zu enormen Energien reicht. Und w as
astrophysikalisch besonders bedeutsam ist: Dort, w o man es bislang messen kann, sind die Energiedichte und
der Druck dieser Teilchenkomponente vergleichbar mit denen des heißen Gases, das unter anderem
Röntgenlicht
emittiert.
Der
Erzeugungsprozess
muss
also
außerordentlich
effektiv
sein.
Dieser
Forschungsansatz führt zu der Idee eines Nichtthermischen Universums, w eil man annehmen muss, dass die
hochenergetische Komponente fast überall da zu finden ist, w o Strukturbildung im Universum stattgefunden
hat.
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Ein Beispiel ist die Kosmische Strahlung, die das ganze Milchstraßensystem erfüllt – das sind vor allem
Protonen, die Kerne von Wasserstoffatomen, deren individuelle Energien alle vorstellbaren thermischen
Energien w eit übersteigen und von etw a 10 9 bis zu mehr als 10 20 eV reichen. Sie strahlen vor allem im
Gammalicht.
Hochenergie-Astrophysik
Sie ist eines der Hauptfelder der Gammaastronomie und befasst sich vor allem mit den Quellen der
hochenergetischen
Teilchen,
w elche
die
Gammastrahlung
erzeugen.
Als
solche
kennen
w ir
im
Milchstraßensystem die – recht zahlreichen – Nebel um junge Pulsare – Neutronensterne mit hohem
Magnetfeld, die diffusen Überreste von Supernovaexplosionen, die Röntgendoppelsterne mit gerichteten
Ausströmungen, diffuse galaktische Emissionen der Kosmischen Strahlung, und möglicherw eise neuartige
Quellen, die noch unbekannten Objekten zuzuordnen sind. Bekannte extragalaktische Gammaquellen sind
aktive Kerne von Galaxien. Aber auch Galaxien mit einer stark erhöhten Rate der Sternentstehung,
miteinander verschmelzende Galaxien, ganze Haufen von Galaxien und Gammastrahlungsausbrüche (Gamma
Ray Bursts) sollten bedeutende Gammaquellen sein. Sie sind allerdings bislang nicht als solche gefunden
w orden. Dies ist eine w ichtige Perspektive für die nächsten Jahre des H.E.S.S.-Experiments.
H.E.S.S. wie s in de r inne re n R e gion unse re s
Milchstra ße nsyste m s zwe i disk re te Ga m m a que lle n na ch (a ).
Die stä rk e re de r be ide n fä llt inne rha lb von e ine r Boge nm inute
m it Sgr A*, de m dyna m ische n Ze ntrum de r Ga la x is (schwa rze r
Ste rn) zusa m m e n, die schwä che re m it de m P ulsa rne be l
G0.9+0.1 (ge lbe r Kre is) in de r Ga la k tische n Ebe ne . Na ch
Subtra k tion de r be ide n dom ina nte n P unk tque lle n ble ibt e ine
diffuse Em ission a ls dritte Q ue lle übrig (b). Sie k orre lie rt m it
de r rä um liche n Ve rte ilung de r Mole k ülwolk e n, die hie r durch
die be oba chte te R a dioe m ission de s C S-Mole k üls (we iße
Konturlinie n) ge k e nnze ichne t sind.
© Aus [2]
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Da s m it H.E.S.S. ge m e sse ne Ga m m a spe k trum de r inne rste n
R e gion um da s Ga la k tische Ze ntrum e rstre ck t sich bis je nse its
von 20 Te V.
© Aus [3]
Das Gebiet um das Galaktische Zentrum
In der innersten Region unserer Galaxie gibt es eine große Anzahl nichtthermischer Quellen, darunter mehrere
Überreste von Supernovaexplosionen massereicher Sterne, aber auch große Molekülw olken von mehr als
hunderttausend Sonnenmassen, mit denen diese Objekte möglicherw eise zusammenhängen. Das eigentliche
Zentrum der Galaxis ist ein Schw arzes Loch mit etw a drei Millionen Sonnenmassen. H.E.S.S. hat diese Region
beobachtet und drei Gammaquellen gefunden. Die w eitaus stärkste davon liegt direkt um das Zentrum selbst
herum. Eine andere diskrete Quelle liegt ein Grad vom Zentrum entfernt, ein Nebel vom W ind eines Pulsars
(Abb. 2a). Schließlich aber ist der ganze Bereich in ein diffuses Gammalicht getaucht, das räumlich mit den
großen Ansammlungen interstellarer Materie (den Molekülw olken) zusammenfällt (Abb. 2b).
Ob die unmittelbar beim Zentrum gelegene Gammaquelle mit diesem selbst identisch ist oder nicht, ist nicht
entschieden. Die Messungen zeigen keine Zeitvariation, w as gegen die Strahlung einer Akkretionsströmung
oder eines Jets spricht. Das Energiespektrum ist ein Potenzgesetz, w ie erw artet (Abb. 3), und erstreckt sich
bis zu etw a 20 TeV (w obei 1 TeV = 10 12 eV). Es könnte von einem großen benachbarten und vielleicht sogar
überlappenden Supernovaüberrest stammen.
Die exotischste und zugleich w issenschaftlich am w eitesten gehende Erklärung des H.E.S.S.-Ergebnisses für
das eigentliche Zentrum w äre eine stationäre Gammastrahlung, die als Folge der Selbstvernichtung von
Teilchen der Dunklen Materie dort entsteht. Es gibt kosmologische Modelle, die genau dies postulieren.
Demnach könnten aus dem Urknall übrig gebliebene so genannte supersymmetrische Teilchen in ihrer Summe
als Dunkle Materie die Materiedichte im Universum dominieren, sich gleichzeitig in den Zentren von Galaxien
ansammeln und sich bei Zusammenstößen unter Aussendung von Gammastrahlung sehr hoher Energie
gegenseitig vernichten. Die Form des Energiespektrums spricht eher gegen diese Möglichkeit. In jedem Fall
aber müsste die Masse dieser Teilchen mindestens einem Wert von 20 TeV entsprechen. Teilchen derart hoher
Energie könnten in keinem der derzeit existierenden oder im Bau befindlichen irdischen Teilchenbeschleuniger
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nachgew iesen w erden. Falls also die von H.E.S.S. im Galaktischen Zentrum gefundene Gammastrahlung
tatsächlich der Annihilation von Dunkler Materie zuzuschreiben w äre, so könnte auf absehbare Zeit nur die
Astrophysik die Klärung dieser fundamentalen Frage in Angriff nehmen – eine sehr interessante Perspektive
für die Forschung.
De r m it H.E.S.S. rä um lich a ufge löste Supe rnova übe rre st R X
J1713.7-3946. Die line a re Fa rbsk a la gibt de n Ga m m a fluss pro
Flä che ne inhe it (schwa rze r Kre is im Inse t) a n. Die he llbla ue n
Konturlinie n ze ige n die m it de m Sa te llite n ASC A ge m e sse ne
R öntge nhe lligk e it.
© Na ch [4]
The ore tisch be re chne te Ga m m a flüsse (durchge zoge ne und
ge striche lte Kurve n) für de n Supe rnova übe rre st R X J1713.73946, zusa m m e n m it de n Ga m m a m e ssunge n de s
W e ltra um e x pe rim e nts EGR ET be i nie drige re n Ene rgie n
(re prä se ntie rt durch die grün m a rk ie rte obe re Gre nze ), de s
ja pa nisch-a ustra lische n Ex pe rim e nts C ANGAR O O (rot), sowie
von H.E.S.S. (bla u). Die m it π 0 be ze ichne te Kurve
re prä se ntie rt die Ga m m a stra hlung, die be i Stöße n nuk le a re r
e ne rge tische r Te ilche n m it Ga sa tom e n e ntste ht.
© Na ch [5]
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Der Ursprung der Galaktischen Kosmischen Strahlung
Die Überreste von Supernovae sind die primären Kandidaten für die Quellen der Galaktischen Kosmischen
Strahlung, die w ir in unserem Milchstraßensystem beobachten bis zu dem Knick im Gesamtspektrum bei etw a
10 15 eV. Der Hauptgrund für diese Hypothese liegt in der Notw endigkeit einer außergew öhnlich hohen
Energiezufuhr auf Grund des Teilchenverlusts aus der Galaktischen Scheibe innerhalb von etw a 30 Millionen
Jahren. Um diesen Verlust zu kompensieren, muss eine Supernova im Mittel etw a zehn Prozent ihrer gesamten
hydrodynamischen Explosionsenergie in ultrarelativistische Teilchen umw andeln – eine enorme Forderung, die
von keinem anderen astrophysikalischen Einzelprozess erfüllt w ird. (Diese Explosionsenergie entspricht
übrigens der von 2×10 28 Megatonnen des Sprengstoffs TNT!)
Zudem gibt es einen Prozess, der geladene
Teilchen an der Stoßw elle
beschleunigt, mit der die
Explosionsw olke das umgebende Medium aufheizt und komprimiert. Der Theorie nach sollte dabei ein
Potenzspektrum in der Energieverteilung der Teilchen entstehen. Ferner sollte der Prozess sehr w irkungsvoll
sein und eine Effizienz von zehn Prozent durchaus erreichen.
W ährend die theoretischen Aspekte recht gut verstanden sind, gibt es bislang kaum quantitative Messungen
der Gammastrahlung, w eil die Flüsse selbst nahe gelegener Objekte meist recht niedrig sind. H.E.S.S. hat aber
zw ei junge Supernovaüberreste detailliert beobachtet und dabei erstmalig solche Objekte auch räumlich gut
auflösen können. Als Beispiel ist in Abbildung 4 der große Supernovaüberrest RX J1713.7-3946 im Sternbild
Skorpion unserer Milchstraße gezeigt, dessen W inkeldurchmesser doppelt so groß ist w ie der des Vollmonds.
Die nahezu sphärische Form der Explosionsw olke im Gammalicht korreliert gut mit der nichtthermischen
Röntgenstrahlung, die als Synchrotronstrahlung äußerst energiereicher Elektronen gedeutet w ird. Dieses
Gammabild ist der erste direkte Bew eis der Existenz von geladenen Teilchen mit Energien oberhalb von etw a
3×10 13 eV in solch einem Objekt (Abb. 5). Theoretisch kann man das Objekt erfolgreich durch die
Gammaemission von nuklearen Teilchen (primär Protonen) beschreiben, die tatsächlich etw a zehn Prozent
seiner gesamten Energie enthalten. Dies ist ein erster, entscheidender Schritt. Es gibt noch eine Reihe von
derartigen Objekten, deren Verhalten bereits theoretisch vorhergesagt w urde. Sofern sie experimentell
bestätigt w erden könnten, w äre dies eine Lösung – und w ohl die einzige – für das Jahrhundertproblem des
Ursprungs der Galaktischen Kosmischen Strahlung.
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H.E.S.S. ha t die Ga la k tische Ebe ne in e ine m Be re ich von ±30º
in Lä nge und ±3º in Bre ite um da s Ga la k tische Ze ntrum
syste m a tisch durchm uste rt. Da be i wurde n die hie r
a nge ge be ne n Q ue lle n m it hohe r sta tistische r Signifik a nz
(m e hr a ls 4σ) na chge wie se n.
© Na ch [6]
Durchmusterung der Galaktischen Ebene
Im Jahr 2004 hat H.E.S.S. den ersten Teil einer Durchmusterung der Galaktischen Ebene abgeschlossen.
Einschließlich späterer Nachbeobachtungen von Quellkandidaten w urden dabei 14 bislang unbekannte
Gammaquellen gefunden, die zum Teil in noch keinem anderen W ellenlängenbereich identifiziert w orden w aren
(Abb. 6). Die neuen Quellen haben inzw ischen eine w eltw eite Aktivität mit satellitengestützten Instrumenten
sow ie
mit
bodengebundenen
Radioteleskopen
ausgelöst.
Diese
Ergebnisse ermöglichen
über
die
Beschreibung von Einzelobjekten hinaus erstmals den Beginn der Untersuchung ganzer Populationen von
Quellen, also typischer nichtthermischer Objekte.
Zukunftsperspektive
Erste Anfänge w urden gemacht, aus den Energiespektren w eit entfernter extragalaktischer Objekte die
Gammastrahlen-absorbierende Stärke des ultraviolett-optischen Strahlungsfelds der Summe aller Sterne im
Universum zu bestimmen. Diese kosmologischen Untersuchungen konnten hier nicht erw ähnt w erden; sie
w erden aber w eiter gehen. Ähnliches gilt für die Bemühungen, die großen extragalaktischen Objekte, w ie
Galaxienverschmelzungen und Galaxienhaufen im Gammalicht zu messen. Sie sollten die nichtthermischen
Zustände des Universums auf einer großen räumlichen Skala aufzeigen. Obw ohl das H.E.S.S.-Projekt als
Experiment von begrenzter Lebensdauer konzipiert ist, mit einer begrenzten technischen Erw eiterung,
ergeben sich daraus neue Forschungsaufgaben für die nahe Zukunft.
Originalveröffentlichungen
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[1] Die Webseite des H.E.S.S.-Projekts hat die Adresse:
http://w w w .mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/HESS.html
[2] Aharonian, F. A. et al. (H.E.S.S. Collaboration):
Discovery of very-high-energy gamma-rays from the Galactic Centre ridge.
Nature 439, 695-698 (2006).
[3] Aharonian, F. A. et al. (H.E.S.S. Collaboration):
Very high energy gamma rays from the direction of Sagittarius A*.
Astronomy & Astrophysics 425, L13-L17 (2004).
[4] Aharonian, F. A. et al. (H.E.S.S. Collaboration):
High-energy particle acceleration in the shell of a supernova remnant.
Nature 432, 75-77 (2004).
[5] Berezhko, E. G., Völk, H. J.:
Theory of cosmic ray production in the supernova remnant RX J1713.7-3946.
Astronomy & Astrophysics 451, 981-990 (2006).
[6] Aharonian, F. A. et al. (H.E.S.S. Collaboration):
The H.E.S.S. survey of the inner Galaxy in very high energy gamma rays.
Astrophysical Journal 636, 777-797 (2006).
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