Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung More than
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Jahrbuch 2004/2005 | Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung More than hot: Sources of cosmic gamma rays Diehl, Roland Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching Korrespondierender Autor E-Mail: [email protected] Zusammenfassung Mit dem Gammastrahlen-Observatorium INTEGRAL sind neue Einblicke möglich gew orden in die Welt kosmischer Quellen sehr energiereicher Strahlung. Bisher unbekannte Quellen w urden entdeckt, da nur energiereiche Gammastrahlungs-Anteile die sie umgebenden interstellaren Wolken durchdringt. Unerw artete Hochenergie-Emission w urde bei kompakten Sternen mit extrem hohen Magnetfeldern erkannt, in dem Bereich, in dem das thermische Emissionsspektrum normalerw eise selbst für höchste Temperaturen leuchtschw ach w ird. Damit w ird der relative Anteil w ahrhaft diffuser Hochenergie-Emission aus dem interstellaren Raum im Vergleich zu einzelnen Quellobjekten neu definiert. Diese diffuse Emission spiegelt die kosmische Strahlung w ider, auf ihrem Weg durch den interstellaren Raum der Galaxie. Hochauflösende Spektroskopie der diffusen Strahlung zeigt zudem zw ei spezielle Spektrallinien: Antimaterie zerstrahlt in Licht bei 511 keV Energie, und ist überraschend symmetrisch im Innenbereich der Milchstraße konzentriert; das radioaktive Isotop 26 Al zerfällt galaxienw eit im interstellaren Medium unter Aussendung einer Linie bei 1809 keV; als Nebenprodukt kosmischer Element-Synthese in der Endphase der Entw icklung sehr massereicher Sterne w urde es in den interstellaren Raum geschleudert, und zeigt uns nun dessen kinematischen Zustand in Bereichen, die mit anderen Mitteln nur schw er messbar sind. Summary The INTEGRAL Gamma-Ray Observatory has provided novel insight into the nature of sources of high-energy radiation. New embedded sources w ere discovered, because only the high-energy part of radiation can penetrate clouds. Unexpected emission at high energies w here thermal emission usually fades w as found for sources w ith 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 tw o prominent gamma-ray lines: Antimatter annihilates into electromagnetic radiation w ith a line at 511 keV, and w as found to have a surprisingly symmetric spatial distribution in the inner Galaxy; radiactive 26 Al 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 w as ejected into interstellar space, and thus reveals the kinematics of the interstellar gas in such regions, w hich are hardly accessible through other means. © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 1/7 Jahrbuch 2004/2005 | Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung Astrophysik mit Gammastrahlung Die Temperatur-Regionen kosmischer Objekte reichen von nahe dem absoluten Nullpunkt der Temperaturen für interstellaren Staub über w arme Planeten und heisse Sterne, bis zu Plasma-Temperaturen 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 w erden. Solche Strahlung entsteht in exotischen kosmischen Regionen durch Elementarteilchen-Wechselw irkungen, 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 w eit oberhalb des thermischen Bereiches (Millionen K entsprechen Strahlungsenergien von 10 3 eV) bis hinauf zu 10 20 eV erzeugt w erden, w eit mehr als in Beschleunigerlabors auf der Erde je erreichbar sein w ird. Dem Studium solch nicht-thermischer Strahlung w idmet sich die Gamma-Astronomie mit Spezialteleskopen, die oberhalb der für diese Strahlung undurchlässigen Lufthülle im W eltraum betrieben w erden. Da s ESA-Sa te llite nobse rva torium INTEGR AL wird se it O k tobe r 2002 zur Erforschung de s noch re la tiv unge na u be k a nnte n Ga m m a stra hlungs-Him m e ls be trie be n. Da be i we rde n Stra hlungsque lle n e rforscht, in de ne n Ene rgie n supra the rm ische Ene rgie n e ntste he n: Kosm ische Te ilche nBe schle unige r, Entste hungsge bie te ra dioa k tive r Ele m e nte und Q ue lle n von Antim a te rie . © ESA (Europe a n Spa ce Age ncy) INTEGRAL Die europäische Weltraumorganisation ESA koordiniert große w issenschaftliche 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 sow ie Tschechien und Polen beteiligt. Der Satellit w urde mit einer Russischen © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 2/7 Jahrbuch 2004/2005 | Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung 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 Schattenw urf 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 w erden; daher dieses primitiv anmutende Lochkamera-Prinzip. Kosmische Partikelstrahlung, die den Satelliten trifft, erzeugt zudem störende Gammastrahlung im Observatorium selbst, sodass die W issenschaftler zunächst einmal in mühevoller Kleinarbeit 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 vergleichw eise die Nutzung eines optischen Observatoriums, und selbst erste grobe w issenschaftliche Ausw ertungen nehmen deutlich mehr Zeit in Anspruch. Nach 2 Jahren sind nun aber w ichtige Resultate erarbeitet w orden, die neue und teilw eise 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 w urde im vergangenen Jahr erstmals eindrucksvoll direkt bew iesen durch Messungen von Gammastrahlung solcher Objekte bei Energien von 10 15 eV durch das HESS- Teleskopsystem in Namibia. Kosmische Teilchenbeschleunigung muss aber ausgehen von bereits supra-thermischen Energien, die gleichsam „injiziert“ w erden in Beschleunigungsgebiete w ie solche Supernova-Überreste. Mit Gammateleskopen w ie INTEGRAL lassen sich Teilchen-Injektoren aufspüren durch charakteristische Strahlungsemission oberhalb thermischer Energien, also be i Energien von 100 keV – MeV (10 6 eV). INTEGRAL fand etliche Quellen solcher Strahlung in der Form von Doppelsternszstemen, w obei einer der Sterne aus „entarteter“ Materie besteht und extrem kompakt ist – etw a w ie w enn die Sonne auf eine Größe von 6000 km oder gar 15 km komprimiert w ürde („w eiße Zw ergsterne” oder „Neutronensterne”). Sternenw ind des Begleitsterns fällt auf diesen Kompaktstern und setzt w egen der immensen Schw erkraft gew altige Energien frei. Unter solchen Bedingungen entstehen vermutlich Plasma-Jets mit hinreichend hohen Energien, und die jungen Begleitsterne mit genügend starken Sternw inden sind eben oft noch umgeben von den Molekülw olken, aus denen sie gebildet w urden. Eine typische solche neuartige Gammaquelle trägt den Namen „IGR J16318-4848“. Eine andere Beschleunigervariante kann das starke Magnetfeld in der Nähe eines solchen Kompakststerns sein: W ie 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 gew altigste derartige Ereignis von einem Objekt mut Namen „SGR 1806-20“ (Abb. 2) [Ref. 3]. Die gew altige Energie des GammastrahlungsAusbruchs entspricht der Sonnenenergie von einer Million Jahre, hier freigesetzt innerhalb von Sekunden. Solche gew altigen Ausbrüche sind eher selten; INTEGRAL fand nun aber bei verw andten Objekten, den „anomalen Röntgenpulsaren”, eine überraschend starke, bisher unbekannte Hochenergie- Strahlungskomponente. Deren Ursache w ird ebenfalls im starken Magnetfeld solcher Objekte vermutet. Mit HESS, INTEGRAL und SW IFT stehen derzeit Instrumente zur Erforschung der Teilchenbeschleunigung über den w eiten Gammabereich zur Verfügung. Im Jahr 2007 soll der GLAST-Satellit den Energiebereich 0.1-300 GeV © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 3/7 Jahrbuch 2004/2005 | Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung (10 9 eV) empfindlicher vermessen – dann bleibt noch eine w ichtige Lücke bei 1-100 MeV zu schließen, um die Entstehung der mysteriösen kosmischen Strahlung 100 Jahre nach ihrer Entdeckung hoffentlich zu verstehen. INTEGR AL-Me ssung de s Ga m m a stra hle n-Ausbruchs von SGR 1806-20, e ine m Ne utrone nste rn m it sta rk e m Ma gne tfe ld. © MP I für Ex tra te rre strische P hysik / von Kie nlin Antimaterie-Zerstrahlung Die Symmetrie von Materie und Antimaterie ist ein w esentliches Element des „Standardmodells“ der Physik, mit dem aus zw ei Teilchensorten, den Quarks und Leptonen, und ihren jew eils 3 Unterfamilien der Aufbau der Elementarteilchen und Atomkerne sow ie deren Wechselw irkungen beschrieben w erden. Antiteilchen w andeln sich bei der Begegnung mit ihren „normalen“ Teilchen-Äquivalenten komplett in Strahlung um. Antiteilchen entstehen bei hohen Energien von mindestens MeV Grösse, entw eder 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 zw ei 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 w eit 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. Möglicherw eise sind großräumige Felder die Ursache, etw a Magnetfelder, die die Bahnen der Positronen geeignet sammeln, oder das Schw erefeld dunkler Materie, die Positronen auf ganz andere Art durch Zerstrahlung exotischer Teilchen erzeugen. © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 4/7 Jahrbuch 2004/2005 | Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung INTEGR AL-Ka rtogra phie rung de s Annihila tionsstra hlung von P ositrone n in de r Ga la x is. © C ESR / Knödlse de r Kosmische Radioaktivität Radioaktiver Zerfall und die ihn begleitende charakteristische Gammastrahlung dient uns auch zum Studium der Entstehung der chemischen Elemente im Universum. Langlebige Isotope w erden zusammen mit den übrigen neu erzeugten Atomkernen aus den Entstehungsorten (w ie z.B. Supernova-Explosionen) 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 56 Co und 44 Ti w urde dieses Bild unmittelbar bestätigt bei den Supernova-Explosionen „SN1987A“ in der Nachbargalaxie „Große Magellansche Wolke“, und der Supernova „Cassiopeia A“, die sich vor 350 Jahren in unserer Galaxis ereignete. Anhand der Gammalinie ra dioa ktive n 26 Al (Zerfallszeit ca. 1 Million Jahre) w urde gezeigt, dass solche Elementsynthese Teil der jüngeren Historie in unserer ca. 12 Milliarden Jahre alten Galaxie ist. Die Emissionkarte von 26 Al- Gammastrahlung zeigte uns auch, in w elchen Regionen der Galaxis die massereichen Sterne sich befinden, die die Hauptquelle neuer Elemente sind – w egen 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 w enig breit w enn viele Regionen unterschiedlichen Alterns beitragen (w ie im Zentralbereich der Milchstraße), hingegen etw as mehr verbreitert w enn die Region besonders jung ist und die Verw irbelungen des interstellaren Gases durch ihre Sterne frisch und noch nicht abgeklungen ist. In diesem Jahr konnte die Messgenauigkeit w eiter verbessert w erden, und damit eine frühere Messung w iderlegt w erden, die eine breite Linienform berichtet hatte – Theoretiker hatten keine Erklärung für eine derartig breite Linie mit Gasgeschw idigkeiten von 500 km pro Sekunde gefunden. Mit den neuesten Messungen von INTEGRAL ist sogar das Rotationsverhalten der Galaxis in der Gamma-Linienform sichtbar: W enn die emittierenden Regionen sich im Mittel auf uns zubew egen, erscheint die Linie zu höheren Energien verschoben, bei Bew egung w eg vom Beobachter zeigt sich eine Verschiebung zu niedrigeren Energien (Abb. 4) [Ref. 6]. Dies ist eine direkte Bestätigung, dass die 26 Al- Quellregionen sich im Innenbereich der Milchstraße befinden, und nicht im Vordergrund (also näher an der galaktischen Position der Sonne), w ie 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 w erden. © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 5/7 Jahrbuch 2004/2005 | Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung Signa tur ga la k tische r R ota tion in de r Ga m m a linie ra dioa k tive n 26Al. © MP I für Ex tra te rre strische P hysik / Die hl Originalveröffentlichungen Nach Erw eiterungen suchenBilderw eiterungChanneltickerDateilisteHTML- Erw eiterungJobtickerKalendererw eiterungLinkerw eiterungMPG.PuRe-ReferenzMitarbeiter (Employee Editor)Personenerw eiterungPublikationserw eiterungTeaser mit BildTextblockerw eiterungVeranstaltungstickererw eiterungVideoerw eiterungVideolistenerw eiterungYouTubeErw eiterung [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) [3] Lichti, G. und A. von Kienlin Intensiver Gammablitz eines Magnetars trifft die Erde Sterne und W eltraum 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) © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 6/7 Jahrbuch 2004/2005 | Diehl, Roland | Jenseits von heiss: Quellen kosmischer Gammastrahlung [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) © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 7/7
