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30.10.2019
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Der Krebsnebel im Gammalicht

Internationales Team kartiert Supernova-Überrest erstmals im Hochenergiebereich

Der Krebsnebel ist der Überrest einer vor rund 1000 Jahren beobachteten Supernova in unserer Galaxie. Obwohl es sich um eines der am besten untersuchten Himmelsobjekte handelt, ist es einem internationalen Team von Wissenschaftlern erst jetzt mit Hilfe der H.E.S.S.-Teleskope in Namibia gelungen, die Ausdehnung des Krebsnebels im Bereich der hochenergetischen Gammastrahlung zu bestimmen.

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In der Bildmitte der Krebsnebel (gelb-orange), wie er in Röntgenstrahlung mit dem Chandra-Teleskop abgebildet wurde (Daten bereitgestellt von M. C. Weisskopf und J. J. Kolodziejczak). Die blauen Punkte entsprechen den rekonstruierten Richtungen von Gammastrahlungsereignissen, wie sie von den H.E.S.S-Teleskopen gemessen wurden. Der weiße Kreis zeigt die von den H.E.S.S.-Wissenschaftlern aus diesen Daten ermittelte Ausdehnung im Gammalicht. Bild: H.E.S.S.
Bereits mit einem Fernglas kann der Krebsnebel im Sternbild Stier als ausgedehntes Objekt wahrgenommen werden, und dementsprechend lassen sich zum Beispiel mit optischen oder Röntgenteleskopen viele seiner Bestandteile detailliert abbilden. „Es zeigt sich, dass die Ausdehnung des Krebsnebels stark vom betrachteten Energiebereich abhängt“, erläutert David Berge, Leitender Wissenschaftler bei DESY, der die jetzt im Fachblatt „Nature Astronomy“ veröffentlichte Analyse der H.E.S.S.-Daten geleitet hat. „Daraus können Rückschlüsse auf astrophysikalische Prozesse gezogen werden.“

Mit erdgebundenen Teleskopen wurde energiereiche Gammastrahlung vom Krebsnebel erstmals 1989 nachgewiesen. Bis heute konnte der Supernova-Überrest im Gammalicht jedoch nicht von einer Punktquelle unterschieden werden. Grund dafür ist die vergleichsweise schlechte Auflösung der Teleskope: Sie messen die Gammastrahlen nicht direkt, sondern beobachten Teilchenschauer, die von den kosmischen Gammaquanten in der Erdatmosphäre ausgelöst werden. Die Teilchen in diesen Schauern erzeugen ein bläuliches Leuchten, das von den empfindlichen Spezialteleskopen aufgezeichnet wird. Daraus lässt sich die Herkunftsrichtung des ursprünglichen kosmischen Gammaquants rekonstruieren.

Die Genauigkeit der Richtungsrekonstruktion hängt erheblich von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel den Beobachtungsbedingungen ab. Mit aufwendigen Simulationsrechnungen lässt sich die Richtungsgenauigkeit steigern. „Für diese jetzt veröffentlichte Messung kam erstmals eine neuartige Simulationsumgebung zum Einsatz, welche die Bedingungen bei der Beobachtung des Krebsnebels auf einem bisher unerreichten Detailgrad mitberücksichtigt“, berichtet Stefan Ohm, Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY. Das hat die Genauigkeit drastisch gesteigert. „Die gemessene Ausdehnung des Krebsnebels ist etwa zweieinhalb Mal kleiner als die mittlere Richtungsungenauigkeit pro Gammateilchen“, sagt Ohm.

Das H.E.S.S.-Observatorium (High Energy Stereoscopic System) in Namibia ist benannt nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung, Victor Franz Hess. Bild: DESY, Stefan Klepser
Die elektromagnetische Strahlung des Krebsnebels wird überwiegend von hochenergetischen Elektronen sowie deren Antiteilchen, den Positronen, ausgesendet. Dafür sind zwei unabhängige Prozesse verantwortlich: Die Strahlung vom Radio- bis zum Röntgenbereich entsteht durch die Ablenkung der Teilchen im internen Magnetfeld des Krebsnebels. Die höherenergetische Gammastrahlung dagegen ist das Resultat der Streuung der Elektronen und Positronen an Lichtteilchen mit niedrigerer Energie. „Die Beobachtung des Krebsnebels in Gammastrahlung ist somit unabhängig von entsprechenden Messungen bei niedrigeren Energien, auch wenn die dafür verantwortlichen Teilchen die gleichen sind“, sagt Theoretiker und H.E.S.S.-Wissenschaftler Dmitry Khangulyan von der Rikkyo-Universität in Tokio.

„Ein Vergleich der Ausdehnung des Krebsnebels bei verschiedenen Energien zeigt eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Modellen“, ergänzt DESY-Theoretiker Andrew Taylor. Dabei weist die Gammastrahlung des Nebels eine stärkere Ausdehnung auf als im Röntgenlicht, aber eine geringere als im ultravioletten Licht. „Der Hauptgrund dafür sind die entsprechenden Energien der Elektronen und Positronen des Nebels“, erläutert Taylor. „Mit steigender Energie sind die Teilchen stärker zum Zentrum hin konzentriert.“ Da die für die Gammastrahlung verantwortlichen Teilchenenergien zwischen denen der beiden anderen genannten Bereiche liegt, folgt Entsprechendes für die Ausdehnung des Krebsnebels in Gammastrahlung. „Die Bestätigung dieser Erwartung durch die Ergebnisse von H.E.S.S. liefern ein schönes Beispiel für die Bedeutung von Theorie und Experiment“, betont Berge.

 

Originalveröffentlichung: Resolving the Crab pulsar wind nebula at teraelectronvolt energies; H.E.S.S. Collaboration (H. Abdalla et al.); „Nature Astronomy“ 2019; DOI: 10.1038/s41550-019-0910-0