NuSTAR zeigt, dass Eta Carinae kosmische Strahlen emittiert

Die große Eruption von Eta Carinae in den 1840er Jahren schuf den hier von Hubble fotografierten Homunculusnebel, der das Massenäquivalent von zehn Sonnenmassen enthält. (Credit: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team)
Die große Eruption von Eta Carinae in den 1840er Jahren schuf den hier von Hubble fotografierten Homunculusnebel, der das Massenäquivalent von zehn Sonnenmassen enthält. (Credit: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team)

Eine neue Studie mit Daten des NASA-Weltraumteleskops NuSTAR deutet darauf hin, dass Eta Carinae, das hellste und massereichste Sternsystem im Umkreis von 10.000 Lichtjahren, Teilchen auf hohe Energien beschleunigt. Und einige davon könnten die Erde als kosmische Strahlen erreichen.

“Wir wissen, dass die Schockwellen explodierter Sterne die Teilchen der kosmischen Strahlen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigen können – das ist ein unglaublicher Energieschub”, sagte Kenji Hamaguchi, ein Astrophysiker vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland), der Hauptautor der Studie. “Ähnliche Prozesse müssen in anderen extremen Umgebungen stattfinden. Unsere Analyse spricht dafür, dass Eta Carinae dazu gehört.”

Astronomen wissen, dass kosmische Strahlen mit Energien größer als eine Milliarde Elektronenvolt von außerhalb unseres Sonnensystems zu uns gelangen. Aber weil diese Teilchen (Elektronen, Protonen und Atomkerne) alle eine elektrische Ladung tragen, werden sie von ihrer Bahn abgelenkt, wenn sie auf Magnetfelder treffen. Das verwischt ihre Bahnen und maskiert ihre Herkunft.

Eta Carinae liegt etwa 7.500 Lichtjahre entfernt in Richtung des südlichen Sternbildes Carina (Kiel des Schiffs). Das System ist berühmt für einen Ausbruch, der im 19. Jahrhundert stattfand und es kurzzeitig zum zweithellsten Stern am Himmel machte. Dieses Ereignis produzierte außerdem einen massiven sanduhrförmigen Nebel, aber die Ursache der Eruption ist noch immer schlecht verstanden.

Das System enthält zwei massereiche Sterne, deren exzentrische Umlaufbahnen sie alle 5,5 Jahre sehr nah zusammenbringen. Die Sterne besitzen 90 beziehungsweise 30 Sonnenmassen und sind während ihrer engsten Annäherung etwa 225 Millionen Kilometer voneinander entfernt. Das entspricht ungefähr der durchschnittlichen Distanz zwischen der Sonne und dem Mars.

“Beide Sterne des Systems Eta Carinae erzeugen starke Ausströmungen, die als Sternwinde bezeichnet werden”, sagte das Teammitglied Michael Corcoran vom Goddard Space Flight Center. “Wenn diese Winde im Zuge des orbitalen Zyklus aufeinanderprallen, wird ein periodisches Signal im energiearmen, unteren Röntgenbereich erzeugt, das wir seit mehr als zwei Jahrzehnten verfolgen.”

Das NASA-Weltraumteleskop Fermi beobachtet auch eine Veränderung im Gammabereich (viel energiereicheres Licht als Röntgenstrahlung) bei einer Quelle in Richtung von Eta Carinae. Aber Fermis Blick ist nicht so scharf wie jener von Röntgenteleskopen, daher konnten Astronomen den Zusammenhang nicht bestätigen.

Diese Grafik zeigt ein Bild, das auf Röntgendaten des Weltraumteleskops Chandra basiert. Die Farben kennzeichnen unterschiedliche Energiebereiche: Rot markiert Energien von 300 bis 1.000 Elektronenvolt, Grün kennzeichnet Energien von 1.000 bis 3.000 Elektronenvolt und Blau deckt den Bereich von 3.000 bis 10.000 Elektronenvolt ab. Die NuSTAR-Beobachtungen (grüne Konturen) offenbaren eine Röntgenquelle mit dreimal höherer Energie als von Chandra registriert. (Credits: NASA / CXC and NASA / JPL-Caltech)
Diese Grafik zeigt ein Bild, das auf Röntgendaten des Weltraumteleskops Chandra basiert. Die Farben kennzeichnen unterschiedliche Energiebereiche: Rot markiert Energien von 300 bis 1.000 Elektronenvolt, Grün kennzeichnet Energien von 1.000 bis 3.000 Elektronenvolt und Blau deckt den Bereich von 3.000 bis 10.000 Elektronenvolt ab. Die NuSTAR-Beobachtungen (grüne Konturen) offenbaren eine Röntgenquelle mit dreimal höherer Energie als von Chandra registriert. (Credits: NASA / CXC and NASA / JPL-Caltech)

Um die Lücke zwischen der Überwachung im unteren Röntgenbereich und den Fermi-Beobachtungen zu schließen, wandten sich Hamaguchi und seine Kollegen an NuSTAR. NuSTAR startete im Jahr 2012 und kann Röntgenstrahlung viel höherer Energien registrieren als jedes Teleskop vor ihm. Mit neu gewonnenen Daten und Archivmaterial untersuchte das Team die NuSTAR-Beobachtungen, die zwischen März 2014 und Juni 2016 gemacht wurden. Dazu kamen noch Beobachtungen im unteren Röntgenbereich vom ESA-Weltraumteleskop XMM-Newton aus derselben Zeitspanne.

Eta Carinaes energiearme oder “weiche” Röntgenstrahlen stammen von dem Gas im Kollisionsbereich der zusammenprallenden Sternwinde, wo die Temperaturen 40 Millionen Grad Celsius übersteigen. Aber NuSTAR registriert eine Quelle, die Röntgenstrahlung oberhalb 30.000 Elektronenvolt emittiert. Das ist rund drei Mal mehr als durch die Schockwellen in den kollidierenden Sternwinden erklärt werden kann. Zum Vergleich: Die Energie von sichtbarem Licht liegt zwischen zwei und drei Elektronenvolt.

Die Analyse des Teams zeigt, dass diese “harten” Röntgenstrahlen mit der Orbitalperiode des Doppelsternsystems variieren und dass sie ein ähnliches Muster bei der Energieabgabe aufweisen wie die von Fermi beobachteten Gammaemissionen. Die Studie wurde am 2. Juli 2018 im Journal Nature Astronomy veröffentlicht.

Die Forscher sagen, die beste Erklärung für die harten Röntgenstrahlen und die Gammaemissionen seien Elektronen, die von gewaltigen Schockwellen entlang der Grenze zwischen den kollidierenden Sternwinden beschleunigt wurden. Die von NuSTAR registrierten Röntgenstrahlen und die von Fermi empfangenen Gammastrahlen gehen aus Sternlicht hervor, das durch Interaktionen mit diesen Elektronen einen riesigen Energieschub erhalten hat. Einige der superschnellen Elektronen und andere beschleunigte Teilchen müssten aus dem System entkommen und letztendlich zur Erde gelangen, wo sie als kosmische Strahlen registriert werden könnten.

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Video-Link: https://youtu.be/B4PwWDNc9qM


“Wir wissen seit einiger Zeit, dass die Region um Eta Carinae die Quelle energiereicher Emissionen im hochenergetischen Röntgen- und Gammabereich ist”, sagte Fiona Harrison, die leitende Wissenschaftlerin der NuSTAR-Mission und Professorin für Astronomie am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena (Kalifornien). “Aber bevor NuSTAR in der Lage war, die Strahlungsquelle zu lokalisieren, zu zeigen, dass sie von dem Doppelsternsystem stammt und ihre Eigenschaften detailliert zu untersuchen, war die Herkunft rätselhaft.”

NuSTAR ist eine Small Explorer Mission, die vom Caltech geleitet und vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) für das Science Mission Directorate in Washington betrieben wird. NuSTAR wurde in Zusammenarbeit mit der Danish Technical University und der Italian Space Agency entwickelt. Das Weltraumteleskop wurde von der Orbital Sciences Corp. in Dulles (Virginia) konstruiert. Das Operationszentrum der NuSTAR-Mission befindet sich an der University of California in Berkeley, und das offizielle Datenarchiv ist am High Energy Astrophysics Science Archive Research Center der NASA. Die Italian Space Agenxy stellt die Bodenstation und ein gespiegeltes Archiv zur Verfügung. Das Caltech betreibt das JPL für die NASA.

Quelle

(THK)

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