Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung

Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung
Tätigkeitsbericht 2005
Astronomie/Astrophysik
Hochenergie- und Plasmaphysik/Quantenoptik
Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung
Diehl, Roland
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Forschungsgruppe - Gammastrahlen-Astronomie
Korrespondierender Autor: Diehl, Roland
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Mit dem Gammastrahlen-Observatorium INTEGRAL sind neue Einblicke möglich geworden in die
Welt kosmischer Quellen sehr energiereicher Strahlung. Bisher unbekannte Quellen wurden entdeckt,
da nur energiereiche Gammastrahlungs-Anteile die sie umgebenden interstellaren Wolken durchdringt.
Unerwartete Hochenergie-Emission wurde bei kompakten Sternen mit extrem hohen Magnetfeldern
erkannt, in dem Bereich, in dem das thermische Emissionsspektrum normalerweise selbst für höchste
Temperaturen leuchtschwach wird. Damit wird der relative Anteil wahrhaft diffuser HochenergieEmission aus dem interstellaren Raum im Vergleich zu einzelnen Quellobjekten neu definiert. Diese
diffuse Emission spiegelt die kosmische Strahlung wider, auf ihrem Weg durch den interstellaren
Raum der Galaxie. Hochauflösende Spektroskopie der diffusen Strahlung zeigt zudem zwei spezielle
Spektrallinien: Antimaterie zerstrahlt in Licht bei 511 keV Energie, und ist überraschend symmetrisch im Innenbereich der Milchstraße konzentriert; das radioaktive Isotop 26Al zerfällt galaxienweit
im interstellaren Medium unter Aussendung einer Linie bei 1809 keV; als Nebenprodukt kosmischer
Element-Synthese in der Endphase der Entwicklung sehr massereicher Sterne wurde es in den interstellaren Raum geschleudert, und zeigt uns nun dessen kinematischen Zustand in Bereichen, die mit
anderen Mitteln nur schwer messbar sind.
Abstract
The INTEGRAL Gamma-Ray Observatory has provided novel insight into the nature of sources of
high-energy radiation. New embedded sources were discovered, because only the high-energy part of
radiation can penetrate clouds. Unexpected emission at high energies where thermal emission usually
fades was found for sources with extremely high magnetic fields. Together, this leads to a re-evaluation of the relative contributions of source objects and intrinsically-diffuse emission from interstellar
space. Such diffuse emission reflects cosmic radiation penetrating the interstellar gas in the Galaxy.
High-resolution spectroscopy of diffuse emission addresses mainly two prominent gamma-ray lines:
Antimatter annihilates into electromagnetic radiation with a line at 511 keV, and was found to have a
surprisingly symmetric spatial distribution in the inner Galaxy; radiactive 26Al decays in the interstellar medium of the Galaxy, emitting a line at 1809 keV; being a by-product of cosmic element synthesis
from terminal evolutionary phases of very massive stars, it was ejected into interstellar space, and
thus reveals the kinematics of the interstellar gas in such regions, which are hardly accessible through
other means.
Astrophysik mit Gammastrahlung
Die Temperatur-Regionen kosmischer Objekte reichen von nahe dem absoluten Nullpunkt der Temperaturen für interstellaren Staub über warme Planeten und heisse Sterne, bis zu Plasma-Temperaturen
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oberhalb Millionen K in Supernova-Explosionen oder in der Nähe des Urknalls. Besonders heiße
Körper strahlen in Energiebereichen hochenergetischer Strahlung, der Röntgenstrahlung. Noch höhere Strahlungsenergien können kaum durch thermische Prozesse erzeugt werden. Solche Strahlung
entsteht in exotischen kosmischen Regionen durch Elementarteilchen-Wechselwirkungen, relativistisch-schnelle Atomkerne und Elektronen, oder radioaktiven Zerfall – hier verliert der Begriff der
Temperatur seine Grundlage. Die auch in der Erdatmosphäre beobachtbare kosmische Strahlung legt
unmittelbar Zeugnis davon ab, dass im Universum Energien weit oberhalb des thermischen Bereiches
(Millionen K entsprechen Strahlungsenergien von 103 eV) bis hinauf zu 1020 eV erzeugt werden, weit
mehr als in Beschleunigerlabors auf der Erde je erreichbar sein wird. Dem Studium solch nicht-thermischer Strahlung widmet sich die Gamma-Astronomie mit Spezialteleskopen, die oberhalb der für diese
Strahlung undurchlässigen Lufthülle im Weltraum betrieben werden.
Abb. 1: Das ESA-Satellitenobservatorium INTEGRAL wird seit Oktober 2002 zur Erforschung des noch relativ
ungenau bekannten Gammastrahlungs-Himmels betrieben. Dabei werden Strahlungsquellen erforscht, in denen
Energien supra-thermische Energien entstehen: Kosmische Teilchen-Beschleuniger, Entstehungsgebiete radioaktiver Elemente und Quellen von Antimaterie.
Urheber: ESA (European Space Agency)
INTEGRAL
Die europäische Weltraumorganisation ESA koordiniert große wissenschaftliche Satellitenmissionen,
und hat mit INTEGRAL im Oktober 2002 ein Observatorium zur Erforschung kosmischer Gammaquellen im erdnahen Weltraum plaziert (Abb. 1)[Ref. 1, 2]. Am INTEGRAL-Projekt sind neben
allen ESA- Mitgliedsnationen auch Russland und die USA sowie Tschechien und Polen beteiligt. Der
Satellit wurde mit einer Russischen Trägerrakete vom Weltraumbahnhof Baikonur in Kasachstan aus
in eine elliptische Umlaufbahn mit einer erdfernsten Distanz von 150000 km befördert. Die beiden
Hauptinstrumente des Observatoriums sind Teleskope, die als Abbildungsprinzip den Schattenwurf einer Lochmaske nutzen, um den Gamma-Himmel einzufangen. Dabei ist eines der Teleskope (genannt
„IBIS“) optimiert für ein möglichst hochauflösendes Bild, das andere (genannt „SPI“) für möglichst
hochauflösende Spektroskopie. Licht im Bereich von Gammastrahlung ist sehr durchdringend und
kann nicht mit Linsen oder Spiegeln konzentriert werden; daher dieses primitiv anmutende Lochkamera-Prinzip. Kosmische Partikelstrahlung, die den Satelliten trifft, erzeugt zudem störende Gammastrahlung im Observatorium selbst, sodass die Wissenschaftler zunächst einmal in mühevoller Kleinarbeit
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diese Störstrahlung genau kennenlernen müssen, bevor sie der kosmischen Bedeutung eventueller
Signale nachgehen können. Aus diesen Gründen sind astrophysikalische Messungen eines solchen
Gammastrahlen-Observatoriums eher abhängig von der Arbeit der Spezialisten als vergleichweise
die Nutzung eines optischen Observatoriums, und selbst erste grobe wissenschaftliche Auswertungen
nehmen deutlich mehr Zeit in Anspruch. Nach 2 Jahren sind nun aber wichtige Resultate erarbeitet
worden, die neue und teilweise überraschende Erkenntnisse brachten in Bezug auf die Quell-Objekte
solch hochenergetischer Strahlung.
Kosmische Teilchenbeschleuniger
Die Beschleunigung von geladenen Teilchen ist möglich über starke elektromagnetische Felder geeigneter Anordnung. Supernova-Explosionen erzeugen solche kosmischen Beschleuniger – dies wurde
im vergangenen Jahr erstmals eindrucksvoll direkt bewiesen durch Messungen von Gammastrahlung
solcher Objekte bei Energien von 1015 eV durch das HESS- Teleskopsystem in Namibia. Kosmische
Teilchenbeschleunigung muss aber ausgehen von bereits supra-thermischen Energien, die gleichsam
„injiziert“ werden in Beschleunigungsgebiete wie solche Supernova-Überreste. Mit Gammateleskopen
wie INTEGRAL lassen sich Teilchen-Injektoren aufspüren durch charakteristische Strahlungsemission
oberhalb thermischer Energien, also bei Energien von 100 keV – MeV (106 eV). INTEGRAL fand
etliche Quellen solcher Strahlung in der Form von Doppelsternszstemen, wobei einer der Sterne aus
„entarteter“ Materie besteht und extrem kompakt ist – etwa wie wenn die Sonne auf eine Größe von
6000 km oder gar 15 km komprimiert würde („weiße Zwergsterne” oder „Neutronensterne”). Sternenwind des Begleitsterns fällt auf diesen Kompaktstern und setzt wegen der immensen Schwerkraft
gewaltige Energien frei. Unter solchen Bedingungen entstehen vermutlich Plasma-Jets mit hinreichend
hohen Energien, und die jungen Begleitsterne mit genügend starken Sternwinden sind eben oft noch
umgeben von den Molekülwolken, aus denen sie gebildet wurden. Eine typische solche neuartige
Gammaquelle trägt den Namen „IGR J16318-4848“.
Abb. 2: INTEGRAL-Messung des Gammastrahlen-Ausbruchs von SGR 1806-20, einem Neutronenstern mit
starkem Magnetfeld.
Urheber: MPI für Extraterrestrische Physik / von Kienlin
Eine andere Beschleunigervariante kann das starke Magnetfeld in der Nähe eines solchen Kompakststerns sein: Wie auf der Sonne magnetische Feldumordnungen zu Teilchenstürmen, den „Sonnenflares“, führen, so stellt man sich die Entstehung von Gammastrahlenausbrüchen auf stark magnetischen
Neutronensternen, den “Magnetaren” vor. Im Dezember 2004 registrierte zuerst INTEGRAL das
gewaltigste derartige Ereignis von einem Objekt mut Namen „SGR 1806-20“ (Abb. 2) [Ref. 3]. Die
gewaltige Energie des Gammastrahlungs-Ausbruchs entspricht der Sonnenenergie von einer Million
Jahre, hier freigesetzt innerhalb von Sekunden. Solche gewaltigen Ausbrüche sind eher selten; INTE© 2005 Max-Planck-Gesellschaft
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GRAL fand nun aber bei verwandten Objekten, den „anomalen Röntgenpulsaren”, eine überraschend
starke, bisher unbekannte Hochenergie-Strahlungskomponente. Deren Ursache wird ebenfalls im starken Magnetfeld solcher Objekte vermutet. Mit HESS, INTEGRAL und SWIFT stehen derzeit Instrumente zur Erforschung der Teilchenbeschleunigung über den weiten Gammabereich zur Verfügung. Im
Jahr 2007 soll der GLAST-Satellit den Energiebereich 0.1-300 GeV (109 eV) empfindlicher vermessen
– dann bleibt noch eine wichtige Lücke bei 1-100 MeV zu schließen, um die Entstehung der mysteriösen kosmischen Strahlung 100 Jahre nach ihrer Entdeckung hoffentlich zu verstehen.
Antimaterie-Zerstrahlung
Die Symmetrie von Materie und Antimaterie ist ein wesentliches Element des „Standardmodells“ der
Physik, mit dem aus zwei Teilchensorten, den Quarks und Leptonen, und ihren jeweils 3 Unterfamilien der Aufbau der Elementarteilchen und Atomkerne sowie deren Wechselwirkungen beschrieben
werden. Antiteilchen wandeln sich bei der Begegnung mit ihren „normalen“ Teilchen-Äquivalenten
komplett in Strahlung um. Antiteilchen entstehen bei hohen Energien von mindestens MeV Grösse,
entweder durch Kollisionen energiereicher Teilchen oder z.B. durch den radioaktiven Zerfall. Das Antiteilchen des Elektrons ist das Positron, es entsteht im radioaktiven β+-Zerfall oder bei Plasmaenergien
oberhalb 1.022 MeV, und zerstrahlt bei der Begegnung mit einem Elektron meist in zwei Lichtquanten
der Energie 511 keV. INTEGRAL hat nun erstmals unsere Galaxis im zentralen Bereich vermessen
im Licht dieser 511 keV Emission, und Überraschendes gefunden: Die Emissionkarte unterscheidet
sich deutlich von der scheibenartigen Verteilung der vermuteten Quellen von Positronen in der Galaxis, man findet ein sehr symmetrisch um das Zentrum der Milchstraße angeordnetes Emissionsgebiet,
dessen Ausdehnung allerdings weit hinausreicht über den von einem einzigen zentralen Objekt beeinflussbaren Bereich (Abb. 3) [Ref. 4]. Vermutete einzelne Positronenquellen treten nicht hervor – diese
gleichförmige Verteilung der Emission ist ein neues Rätsel. Möglicherweise sind großräumige Felder
die Ursache, etwa Magnetfelder, die die Bahnen der Positronen geeignet sammeln, oder das Schwerefeld dunkler Materie, die Positronen auf ganz andere Art durch Zerstrahlung exotischer Teilchen
erzeugen.
Abb. 3: INTEGRAL-Kartographierung des Annihilationsstrahlung von Positronen in der Galaxis.
Urheber: CESR / Knödlseder
Kosmische Radioaktivität
Radioaktiver Zerfall und die ihn begleitende charakteristische Gammastrahlung dient uns auch zum
Studium der Entstehung der chemischen Elemente im Universum. Langlebige Isotope werden zusammen mit den übrigen neu erzeugten Atomkernen aus den Entstehungsorten (wie z.B. SupernovaExplosionen) herausgeschleudert: So zeigen uns radioaktive Gammastrahlungs-Linien diese Entstehungsorte, und bei besonders langlebigen Isotopen lässt sich der Weg der neu erzeugten Elemente im
interstellaren Raum verfolgen [Ref. 5]. Mit den Gammalinien der Isotope 56Co und 44Ti wurde dieses
Bild unmittelbar bestätigt bei den Supernova-Explosionen „SN1987A“ in der Nachbargalaxie „Große
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Magellansche Wolke“, und der Supernova „Cassiopeia A“, die sich vor 350 Jahren in unserer Galaxis
ereignete. Anhand der Gammalinie radioaktiven 26Al (Zerfallszeit ca. 1 Million Jahre) wurde gezeigt,
dass solche Elementsynthese Teil der jüngeren Historie in unserer ca. 12 Milliarden Jahre alten Galaxie ist. Die Emissionkarte von 26Al-Gammastrahlung zeigte uns auch, in welchen Regionen der
Galaxis die massereichen Sterne sich befinden, die die Hauptquelle neuer Elemente sind – wegen der
Absorption energieärmerer Strahlung in interstellaren Wolken und Staub sind diese Regionen und ihre
Sterne uns nur sehr unvollkommen sichtbar. Mit INTEGRAL ist erstmals empfindliche Spektroskopie in hoher Auflösung möglich bei Gamma-Energien; so konnte INTEGRAL zeigen, dass die Form
der Gammalinie die Kinematik der zerfallenden 26Al-Atome bestimmt: Die Linie erscheint nur wenig
breit wenn viele Regionen unterschiedlichen Alterns beitragen (wie im Zentralbereich der Milchstraße), hingegen etwas mehr verbreitert wenn die Region besonders jung ist und die Verwirbelungen des
interstellaren Gases durch ihre Sterne frisch und noch nicht abgeklungen ist. In diesem Jahr konnte
die Messgenauigkeit weiter verbessert werden, und damit eine frühere Messung widerlegt werden,
die eine breite Linienform berichtet hatte – Theoretiker hatten keine Erklärung für eine derartig breite
Linie mit Gasgeschwidigkeiten von 500 km pro Sekunde gefunden. Mit den neuesten Messungen von
INTEGRAL ist sogar das Rotationsverhalten der Galaxis in der Gamma-Linienform sichtbar: Wenn
die emittierenden Regionen sich im Mittel auf uns zubewegen, erscheint die Linie zu höheren Energien verschoben, bei Bewegung weg vom Beobachter zeigt sich eine Verschiebung zu niedrigeren Energien (Abb. 4) [Ref. 6]. Dies ist eine direkte Bestätigung, dass die 26Al- Quellregionen sich im Innenbereich der Milchstraße befinden, und nicht im Vordergrund (also näher an der galaktischen Position der
Sonne), wie manche früheren Theorien vermutet hatten. Derartige Entfernungsbestimmungen durch
kinematische Messungen sind in anderen astronomischen Bereichen sehr erfolgreich, und können bei
genauen Messungen mit INTEGRAL nun sogar im Gammabereich hilfreich werden.
Abb. 4: Signatur galaktischer Rotation in der Gammalinie radioaktiven 26Al.
Urheber: MPI für Extraterrestrische Physik / Diehl
Literaturhinweise
[ 1] Schönfelder, V.
Erste Ergebnisse von der Gamma-Astronomie Mission INTEGRAL
MPG Jahrbuch 2004
[ 2] Winkler, C. et al.
The INTEGRAL mission
Astronomy & Astrophysics 411, L1-L6 (2003)
© 2005 Max-Planck-Gesellschaft
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[ 3] Lichti, G. und A. von Kienlin
Intensiver Gammablitz eines Magnetars trifft die Erde
Sterne und Weltraum Mai 2005, 17-19 (2005)
[ 4] Knödlseder, J. et al.;
Early SPI/INTEGRAL constraints on the morphology of the 511 keV line emission in the 4th
galactic quadrant
Astronomy & Astrophysics 411, L457-L468 (2003)
[ 5] Diehl, R. and W. Hillebrandt
Astronomie mit Radioaktivität
Physics Journal 1, 47-53 (2002)
[ 6] Diehl, R. et al.;
SPI measurements of Galactic 26Al
Astronomy & Astrophysics 411, L451-L455 (2003)
[ 7] Verschiedene Autoren;
Sonderausgabe der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics mit den ersten Ergebnissen der
INTEGRAL Mission
Astronomy & Astrophysics 411 (2003)
Referenzen und weiterführende Links
[ 1] INTEGRAL Webseite am MPE
http://www.mpe.mpg.de/gamma/INTEGRAL/
Webseite am MPE mit ausführlichen Informationen zu INTEGRAL
Drittmittelfinanzierung
DLR 50.0G.9503.0.
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