Wissenschaftler entdecken die energiereichsten Gammastrahlen aller Zeiten von einem Pulsar

Pulsare sind die Überreste von Sternen, die in einer Supernova spektakulär explodierten. Die Explosionen hinterlassen einen winzigen, toten Stern mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, der extrem schnell rotiert und über ein enormes Magnetfeld verfügt. „Diese toten Sterne bestehen fast ausschließlich aus Neutronen und sind unglaublich dicht: Ein Teelöffel ihrer Materie hat eine Masse von mehr als fünf Milliarden Tonnen, also etwa das 900-fache der Masse der Großen Pyramide von Gizeh“, erklärt H.E.S.S. Wissenschaftlerin Emma de Oña Wilhelmi, eine bei DESY tätige Co-Autorin der Publikation.

Pulsare senden rotierende Strahlen elektromagnetischer Strahlung aus, ähnlich wie kosmische Leuchttürme. Wenn ihr Strahl unser Sonnensystem durchstreicht, sehen wir in regelmäßigen Zeitabständen Strahlungsblitze. Diese Blitze, auch Strahlungsimpulse genannt, können in verschiedenen Energiebändern des elektromagnetischen Spektrums gesucht werden. Wissenschaftler glauben, dass die Quelle dieser Strahlung schnelle Elektronen sind, die in der Magnetosphäre des Pulsars erzeugt und beschleunigt werden, während sie sich in Richtung seiner Peripherie bewegen. Die Magnetosphäre besteht aus Plasma und elektromagnetischen Feldern, die den Stern umgeben und mit ihm rotieren. „Auf ihrer Reise nach außen nehmen die Elektronen Energie auf und geben sie in Form der beobachteten Strahlenbündel ab“, sagt Bronek Rudak vom Nikolaus-Kopernikus-Astronomischen Zentrum (CAMK PAN) in Polen, ebenfalls Mitautor.

Der Vela-Pulsar befindet sich am Südhimmel im Sternbild Vela (Segel des Schiffes) und ist der hellste Pulsar im Radioband des elektromagnetischen Spektrums und die hellste dauerhafte Quelle kosmischer Gammastrahlung im Giga-Elektronenvolt-Bereich (GeV). . Es dreht sich etwa elf Mal pro Sekunde. Oberhalb einiger GeV endet seine Strahlung jedoch abrupt, vermutlich weil die Elektronen das Ende der Magnetosphäre des Pulsars erreichen und aus dieser entweichen.

Aber das ist noch nicht das Ende der Geschichte: Durch Tiefenbeobachtungen mit H.E.S.S. wurde nun eine neue Strahlungskomponente bei noch höheren Energien entdeckt, mit Energien von bis zu mehreren zehn Tera-Elektronenvolt (TeV). „Das ist etwa 200-mal energiereicher als alle bisher von diesem Objekt nachgewiesene Strahlung“, sagt Co-Autor Christo Venter von der North-West University in Südafrika. Diese sehr energiereiche Komponente erscheint in den gleichen Phasenintervallen wie die im GeV-Bereich beobachtete. Um diese Energien zu erreichen, müssen die Elektronen jedoch möglicherweise noch weiter als die Magnetosphäre wandern, das Rotationsemissionsmuster muss jedoch intakt bleiben.

„Dieses Ergebnis stellt unser bisheriges Wissen über Pulsare in Frage und erfordert ein Umdenken in der Funktionsweise dieser natürlichen Beschleuniger“, sagt Arache Djannati-Atai vom Astroparticle & Cosmology (APC)-Labor in Frankreich, der die Forschung leitete. „Das traditionelle Schema, nach dem Teilchen entlang magnetischer Feldlinien innerhalb oder etwas außerhalb der Magnetosphäre beschleunigt werden, kann unsere Beobachtungen nicht ausreichend erklären. Vielleicht erleben wir die Beschleunigung von Teilchen durch den sogenannten magnetischen Rekonnexionsprozess jenseits des Lichtzylinders, der immer noch irgendwie passiert.“ das Rotationsmuster beibehält? Aber selbst in diesem Szenario ist es schwierig zu erklären, wie solch extreme Strahlung erzeugt wird.“

Was auch immer die Erklärung sein mag, neben seinen anderen Superlativen hält der Vela-Pulsar nun offiziell den Rekord als Pulsar mit der bislang entdeckten energiereichsten Gammastrahlung. „Diese Entdeckung eröffnet ein neues Beobachtungsfenster für die Entdeckung anderer Pulsare im Bereich von mehreren zehn Teraelektronenvolt mit aktuellen und künftigen empfindlicheren Gammastrahlenteleskopen und ebnet damit den Weg für ein besseres Verständnis der extremen Beschleunigungsprozesse in stark magnetisierten astrophysikalischen Objekten.“ sagt Djannati-Atai.