Alle drei Stunden scannt das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA den kompletten Himmel und vertieft sein Portrait des Hochenergie-Universums. Jedes Jahr analysieren die Wissenschaftler des Satelliten die gesamten, von ihm gesammelten Daten erneut und wenden aktualisierte Analysemethoden an, um neue Quellen herauszuarbeiten. Die relativ konstanten Quellen registriert Fermi zusätzlich zu den zahlreichen vergänglichen Ereignissen wie Gammastrahlungsausbrüchen (Gamma-ray Bursts, GRBs) im entfernten Universum und Ausbrüchen von der Sonne.
In diesem Jahr veröffentlichte das Fermi-Team seinen zweiten Katalog von Quellen, die von Fermis Large Area Telescope (LAT) registriert wurden. Er enthält 1.873 Objekte, die mit der energiereichsten Form von Licht leuchten. “Über die Hälfte dieser Quellen sind aktive Galaxien, deren massive Schwarze Löcher für die vom LAT registrierten Gammastrahlen-Emissionen verantwortlich sind”, sagte Gino Tosti, ein Astrophysiker an der University of Perugia (Italien) und aktuell ein Gastwissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park (Kalifornien).
Als einer der Wissenschaftler, der die neue Zusammenstellung leitete, präsentierte Tosti am 9. September 2011 auf einem Treffen der High Energy Astrophysics Division der American Astronomical Society in Newport (Rhode Island) eine Studie über den Katalog. “Der vielleicht erstaunlichste Aspekt unseres neuen Katalogs ist die große Anzahl von Quellen, die nicht mit Objekten in Verbindung stehen, welche in keinen anderen Wellenlängenbereichen beobachtet wurden”, stellte er fest.
Und tatsächlich, wenn der Fermi-Katalog ein Rezept wäre, dann wären die zwei Hauptzutaten aktive Galaxien und das pure Unbekannte. Dazu kommen eine Prise Pulsare, ein Klecks Supernova-Überreste und ein Spritzer anderer Himmelsobjekte, etwa Kugelsternhaufen und Galaxien wie unsere eigene Milchstraße.
Astronomen entzückt die Möglichkeit, neue Typen Gammastrahlung emittierender Objekte innerhalb der “nicht verbundenen Quellen” zu finden, die fast ein Drittel des Katalogs ausmachen. Aber Fermis LAT enthüllt Gammastrahlen von einer steigenden – und manchmal überraschenden – Vielzahl astronomischer Objekte. Um den Bereich der LAT-Entdeckungen hervorzuheben, erstellte das Fermi-Team die folgende “Top-Ten”-Liste von fünf Quellen innerhalb der Milchstraße und fünf Quellen außerhalb unserer Galaxie.
Die Top-Fünf-Quellen innerhalb unserer Galaxie sind:
Der Krebsnebel: Der berühmte Krebsnebel im Sternbild Stier (Taurus) ist der Überrest eines explodierten Sterns, dessen Licht die Erde im Jahr 1054 erreichte. Der Krebsnebel ist 6.500 Lichtjahre entfernt und eines der am meisten untersuchten Objekte am Himmel. Im Herz einer expandierenden Gaswolke liegt das, was von dem Kern des ursprünglichen Sterns übrig blieb, ein superdichter Neutronenstern (auch Pulsar), der 30 Mal pro Sekunde rotiert. Bislang nahm man an, dass die gesamten Hochenergie-Emissionen des Krebsnebels das Ergebnis von physikalischen Prozessen in der Nähe des Pulsars sind, die seine schnelle Rotation anzapfen.
Jahrzehntelang betrachteten die meisten Astronomen den Krebsnebel als das konstanteste Lichtsignal im Röntgenenergiebereich. Aber Daten von mehreren Weltrauminstrumenten – Fermis Gamma-ray Burst Monitor eingeschlossen – zeigen jetzt unerwartete Veränderungen. Astronomen haben gezeigt, dass der Nebel im Hochenergiebereich seit 2008 um sieben Prozent schwächer geworden ist, ein Abfall, der wahrscheinlich mit der Umgebung seines zentralen Neutronensterns zusammenhängt.
Seit 2007 haben Fermi und der AGILE-Satellit der Italian Space Agency mehrere kurzlebige Gammastrahlungsausbrüche registriert, deren Energien Hunderte Male höher waren als die die beobachteten Veränderungen im Röntgenbereich. Im April entdeckten die Satelliten zwei der stärksten, die bis jetzt aufgezeichnet wurden.
Die Wissenschaftler sagen, dass die Elektronen in der Nähe des Pulsars auf Energien beschleunigt werden müssen, die 1.000 Billionen (1015) Mal größer sind als die von sichtbarem Licht, um diese “Superausbrüche” auszulösen. Das ist weit über dem, was vom Large Hadron Collider bei Genf (Schweiz) erreicht werden kann, der aktuell der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger auf der Erde ist.
W44: Ein anderer interessanter Supernova-Überrest, der von Fermis LAT entdeckt wurde, ist W44. W44 liegt etwa 9.800 Lichtjahre entfernt im Sternbild Adler (Aquila) und ist vermutlich rund 20.000 Jahre alt – mittelalt für einen Supernova-Überrest. Das LAT registriert nicht nur diesen Überrest, sondern es offenbart auch Gammastrahlen im Gigaelektronenvolt-Bereich, die Regionen abgestrahlt werden, in denen die expandierende Schockwelle des Überrests mit kalten, dichten Gaswolken interagiert.
Solche Beobachtungen sind wichtig für die Lösung eines lange bestehenden Problems in der Astrophysik: den Ursprung kosmischer Strahlen. Kosmische Strahlen sind Teilchen – hauptsächlich Protonen – die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen. Wenn sie die Galaxie durcheilen, lenken magnetische Felder sie ab und verschleiern ihre Wege und ihre Ursprünge. Wissenschaftler können nicht sicher sagen, woher die energiereichsten kosmischen Strahlen stammen, aber sie betrachten Supernova-Überreste als besten Tipp.
Im Jahr 1949 schlug der Namenspate des Fermi-Teleskops, der Physiker Enrico Fermi, vor, dass die energiereichsten kosmischen Strahlen in den Magnetfeldern von Gaswolken beschleunigt werden. In den folgenden Jahrzehnten zeigten Astronomen, dass die Magnetfelder in der expandierenden Schockwelle eines Supernova-Überrests der beste Ort sind, damit dieser Prozess funktionieren kann.
Bis jetzt deuten LAT-Beobachtungen von W44 und verschiedenen anderen Überresten stark darauf hin, dass die Gammastrahlungsemissionen von beschleunigten Protonen erzeugt werden, wenn sie mit Gasatomen kollidieren.
V407 Cygni: V407 Cygni ist ein so genanntes symbiotisches Binärsystem, eines, das einen kompakten Weißen Zwerg und einen Roten Riesen enthält, welcher auf die 500-fache Größe der Sonne angeschwollen ist. Es liegt rund 9.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schwan (Cygnus) und leuchtet zeitweise auf, wenn sich Gas des Roten Riesen auf der Oberfläche des Weißen Zwergs ansammelt und schlussendlich explodiert. Das Ereignis wird manchmal Nova genannt (nach einem lateinischen Begriff, der “neuer Stern” bedeutet).
Als im März 2010 die jüngste Eruption des Systems auftrat, widersetzte sich Fermis LAT den Erwartungen und registrierte die Nova als blendende Quelle. Wissenschaftler haben einfach nicht erwartet, dass dieser Ausbruchstyp die Kraft hatte, um hochenergetische Gammastrahlen zu erzeugen.
Pulsar PSR J0101-6422: Pulsare – schnell rotierende Neutronensterne – machen etwa sechs Prozent des neuen Katalogs aus. In manchen Fällen kann das LAT die Gammastrahlenpulse direkt registrieren, aber in vielen Fällen werden die Pulse zuerst im Radiowellenlängenbereich gefunden, basierend auf dem Verdacht, dass eine schwache LAT-Quelle ein Pulsar sein könnte. PSR J0101-6422 liegt im südlichen Sternbild Tukan (Tucana) und sein eigenartiger Name stellt seine Position am Himmel dar.
“Dieser Pulsar ist ein gutes Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen dem Fermi-Team und Radioastronomen – Wissenschaftlern, die in weit voneinander entfernten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums arbeiten”, sagte David Thompson vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland), der das Katalog-Team mit leitete.
Ursprünglich bemerkte das Fermi-Team das Objekt als ziemlich helle aber unidentifizierte Gammastrahlenquelle in einem früheren LAT-Katalog. Weil die Verteilung der Gammastrahlungsenergien in der Quelle dem entspricht, was normalerweise bei Pulsaren beobachtet wird, warfen Radioastronomen in Australien mit ihren Parkes-Radioteleskopen einen Blick auf sie.
Pulsare sind Neutronensterne – kompakte Objekte, die mehr Masse als die Sonne in eine Kugel von der Größe von Washington, D.C. Packen. Mit jeder Umdrehung schweifen leuchtturmartige Strahlen durch den Himmel, angetrieben von der schnellen Rotation des Pulsars und starken Magnetfeldern. Astronomen können diese Strahlen registrieren, wenn über die Erde streichen.
Die Parkes-Studie fand Radiosignale von einem Pulsar, der fast 400 Mal pro Sekunde rotiert – vergleichbar mit einem Küchenmixer – an derselben Position wie die unbekannte Fermi-Quelle. Mit dieser Information war das LAT-Team in der Lage zu entdecken, dass PSR J0101-6522 mit derselben unglaublichen Rate auch im Gammastrahlungsbereich aufblinkt.
2FGL J0349.5+5410: Die Fermi-Wissenschaftler wissen nicht, was sie aus dieser Quelle im Sternbild Giraffe (Camelopardalis) machen sollen. Sie liegt in der Nähe der dichtbevölkerten Mittelebene unserer Galaxie, was die Wahrscheinlichkeit vergrößert, dass es ein Objekt in der Milchstraße ist. Während sein Gammastrahlungsspektrum dem eines Pulsars entspricht, wurden keine Pulsationen registriert und es steht nicht mit einem von anderen Wellenlängen bekannten Objekt in Verbindung.
Die Top-Fünf-Quellen außerhalb unserer Galaxie sind:
Centaurus A: Die elliptische Riesengalaxie NGC 5128 liegt 12 Millionen Lichtjahre entfernt im südliche Sternbild Zentaur (Centaurus). Als eine der nächstgelegenen aktiven Galaxien beherbergt sie die helle Radioquelle namens Cen A. Ein großer Teil der Radioemissionen stammen aus Millionen Lichtjahre großen Gasblasen, die von dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie herausgeschleudert wurden.
Fermis LAT registriert hochenergetische Gammastrahlen von einer ausgedehnten Region um die Galaxie, die mit den Radiowellen abstrahlenden Blasen übereinstimmt. Die Radioemissionen stammen von sich schnell bewegenden Teilchen. Wenn ein niederenergetisches Photon mit einem dieser Teilchen kollidiert, erhält das Photon einen Stoß, der seine Energie in den Gammastrahlenbereich katapultiert. Es ist ein Prozess, der mehr nach Billard klingt als nach Astrophysik, aber Fermis LAT zeigt, dass es in Cen A geschieht.
Die Andromeda-Galaxie (M31): Mit einer Entfernung von 2,5 Millionen Lichtjahren ist die Andromeda-Galaxie die nächstgelegene Spiralgalaxie, eine von vergleichbarer Größe und Struktur wie unsere eigene Milchstraße. Weil sie bei dunklem Himmel für das bloße Auge sichtbar ist, ist sie auch ein bevorzugtes Beobachtungsziel für Sterngucker.
Das LAT-Team erwartete, M31 zu registrieren, weil sie unserer eigenen Galaxie so ähnlich ist, bei der ein helles Band diffuser Emissionen die auffälligste Struktur am Gammastrahlen-Himmel darstellt. Diese Gammastrahlen werden hauptsächlich erzeugt, wenn hochenergetische kosmische Strahlen auf das Gas zwischen den Sternen treffen.
“Es brauchte zwei Jahre Beobachtungen mit dem LAT, um M31 zu registrieren”, sagte Jürgen Knödlseder vom Research Institute for Astrophysics and Planetology in Toulouse (Frankreich). Als derzeitiger Gastwissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory arbeitete er an der Studie über M31. “Wir schlussfolgerten, dass die Andromeda-Galaxie weniger kosmische Strahlen aufweist als unsere Milchstraße, möglicherweise weil M31 Sterne langsamer als unsere Galaxie bildet – inklusive denen, die als Supernovae sterben und bei der Erzeugung kosmischer Strahlen helfen.”
Die Zigarren-Galaxie (M82): Was für die Andromeda-Galaxie gilt, funktioniert sogar noch besser bei M82, einer so genannten Starburst-Galaxie, die ebenfalls ein favorisiertes Ziel von Amateurastronomen ist. M82 liegt 12 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Großer Bär (Ursa Major).
Die Zentralregion von M82 bildet junge Sterne mit einer zehnmal höheren Rate als die Milchstraße – Aktivität, die auch eine hohe Supernova-Rate garantiert, weil die meisten kurzlebigen Sterne mit einer Explosion vergehen. Irgendwann. Die intensive Sternentstehung von M82 wird nachlassen, wenn das zur Bildung von Sternen benötigte Gas aufgebraucht ist, aber das könnte einige Millionen Jahre in der Zukunft liegen. Jetzt ist sie für Fermi eine helle Gammastrahlenquelle.
Blazar PKS 0537-286: Im Kern einer aktiven Galaxie befindet sich ein massives Schwarzes Loch, das Jets aus Partikeln erzeugt, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Astronomen nennen die Galaxie einen Blazar, wenn einer dieser Jets in unsere Richtung zeigt – die beste Position, um dramatische Ausbrüche zu beobachten, wenn die Bedingungen in dem Jet sich verändern.
PKS 0537-286 ist ein variabler Blazar im Sternbild Löwe (Leo) und das zweitentfernteste LAT-Objekt. Astronomen haben bestimmt, dass die Galaxie bei einer Rotverschiebung von 3,1 über 11,7 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. (Präziser ausgedrückt sind die Gammastrahlen-Photonen des Blazars mindestens 11,7 Milliarden Lichtjahre gereist, bevor sie von Fermis LAT registriert wurden.)
Der Blazar ist die entfernteste aktive Galaxie im Fermi-Katalog, die Variabilität zeigt. Astronomen werden Zeige von Veränderungen in dem Jet, der von dem supermassiven Schwarzen Loch dieser Galaxie angetrieben wird. Sie traten auf, als das Universum nur zwei Milliarden Jahre alt war oder 15 Prozent seines heutigen Alters.
Video-Link: https://youtu.be/1J-LQqs_rYk
Fermi-Teammitglied Elizabeth Hays erklärt in diesem Video, was Blazare sind (NASA’s Goddard Space Flight Center)
2FGL J1305.0+1152: Der letzte Eintrag ist ein weiteres rätselhaftes Objekt, eines im Sternbild Jungfrau (Virgo) und weit oberhalb der galaktischen Mittelebene. Es bleibt sogar nach zweijährigen Beobachtungen mit dem LAT lichtschwach.
Ein Anhaltspunkt, um diese Objekte zu klassifizieren, liegt in ihren Gammastrahlenspektren – das ist die relative Anzahl von Gammastrahlen, die bei verschiedenen Energien beobachtet werden. Bei manchen Energien zeigen die Spektren vieler Objekte etwas, das Astronomen einen “Spektralbruch” nennen. Das ist ein Abfall in der Anzahl der Gammastrahlen bei zunehmenden Energien, welcher größer als erwartet ist.
Wenn dies ein Pulsar wäre, würde er einen schnelleren Abfall bei höheren Energien zeigen. Viele Blazare offenbaren einen viel langsameren Abfall. Aber 2FGL J1305.0+1152 zeigt keine Hinweise auf einen Spektralbruch und bleibt damit – zumindest für jetzt – ein wahres Rätsel.
Quelle: http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/gamma-ray-census.html
(THK)
Antworten