Von Harfen, Weihnachtsbäumen, einem wandernden Stern und den mysteriösen Strömen kosmischer Strahlung

19. Dezember 2019

Forscher am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik Garching (MPA) haben galaktische Radioobjekte untersucht, die Formen wie Weihnachtsbäume und Harfen annehmen. Dabei konnte die alte Frage des Transports kosmischer Strahlung beantwortet werden.

Radio-Synchrotron-Harfe und Weihnachtsbaum im galaktischen Zentrum.

Rechts: Der Teilchen liefernde Stern bewegte sich von unten nach oben durch das Zentrum dieser Struktur und befindet sich jetzt an dessen Spitze. Die Teilchen strömen entlang der horizontalen Magnetfeldlinien nach links und rechts.

Links: Die Synchrotron-Strahlung der Teilchen zeichnen die Magnetfeldlinien in der Form von Harfensaiten nach und machen sie so sichtbar.

Die inneren Regionen unserer Galaxie, der Milchstraße, zeichnen sich durch große Mengen an warmem Gas, kosmischer Strahlung und erhöhte Radioemission aus. “Radioastronomen beobachten schon seit Jahren flächige Strukturen im galaktischen Zentrum. Neuere Beobachtungen mit dem MeerKAT Teleskop in Südafrika zeigen, dass diese in Gruppen von fast parallelen Filamenten angeordnet sind, die sich über mehrere Lichtjahre erstrecken“, berichtet der führende Autor der Studie, Timon Thomas vom AIP. „Die Filamente sind scheinbar ihrer Länge nach sortiert, so dass sie wie die Saiten einer Harfe aussehen." Forscher aus Potsdam und Garching nannten diese Objekte daher Radio-Synchrotron-Harfen. Synchrotron ist die Bezeichnung des Mechanismus, der Radiostrahlung durch Beschleunigung von geladenen Teilchen wie Elektronen in Magnetfeldern erzeugt.

„Die beobachteten Strukturen entstehen, wenn massereiche Sterne oder Pulsare geordnete Magnetfeldstrukturen durchfliegen und dabei entlang ihrer Bahn kosmische Strahlungsteilchen in diese Magnetfelder entladen“, erklärt Christoph Pfrommer vom AIP. „Die Teilchen breiten sich entlang der Magnetfeldlinien aus, meist quer zur Sternenbahn, lassen die Magnetfelder im Radiobereich aufleuchten und wie die Saiten einer Harfe erscheinen.“

Die beobachteten Helligkeitsprofile der Radiostrahlung (schwarz) entlang der untersuchten Harfensaiten im Vergleich zu Modellrechnungen (orange) mit Strömung und Diffusion (links) und nur mit Diffusion (rechts). In den unteren beiden Profilen hatten die Teilchen mehr Zeit sich auszubreiten; hier zeigen die Modelle deutliche Unterschiede. Jenes mit Strömung und Diffusion kann die beobachteten Profile gut erklären, das nur mit Diffusion zeigt deutliche Abweichungen. Die Bedeutung von Strömung nimmt also sichtbar mit der Zeit zu und sollte daher für den Transport kosmischer Strahlung über noch größere Distanzen in unserer Galaxie der wichtigere Beitrag sein.

Der genaue Transportprozess der Teilchen war bisher ein Mysterium. Die Forscher gehen nun davon aus, dass die einzelnen Saiten die chronologische Abfolge zeigen, in der die Teilchen sich vom Ort ihrer Freisetzung entlang der Magnetfeldlinien ausbreiteten. Wäre diese Ausbreitung ein Diffusionsprozess, also eine ungerichtete Eigenbewegung der einzelnen Teilchen, sollten die Objekte abgerundete Glockenformen aufweisen, was sie aber nicht tun. Durch die Vermessung einer der Harfen sowie detaillierte Modellrechnungen konnten die Astrophysiker nun zeigen, dass die Teilchen stattdessen wie in einem Fluss gemeinsam strömen. Damit ist die Strömung der wichtigste Transportprozess der kosmischen Strahlung. „Hierbei „zupfen“ die Teilchen quasi an den Saiten und regen dabei die Magnetfelder zu Schwingungen an, welche wiederum die Teilchen zu einem strömenden Fluid zusammenhalten“, erläutert Torsten Enßlin vom MPA, der Initiator der Studie.

Mit dieser erhellenden Advents-Erkenntnis ist das jahrzehntealte Rätsel um den Transport der Teilchen kosmischer Strahlung geklärt. Hauptsächlich strömen die Teilchen, entgegen der bisherigen Annahme, die voranging von Diffusion ausging.

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