Eine Illustration eines schwarzen Lochs, das Material von einem Stern in einem Mikroquasar abzieht, einem kosmischen Teilchenbeschleuniger, der die Quelle der hochenergetischen kosmischen Strahlung sein könnte (Bildnachweis: NASA/CXC/M.Weiss)
Wissenschaftler haben möglicherweise Beweise dafür gefunden, dass schwarze Vampirlöcher, die sich von ihren Opfersternen ernähren – so genannte Mikroquasare – die kosmischen Teilchenbeschleuniger sind, die für die mysteriöse hochenergetische kosmische Strahlung verantwortlich sind, die wir auf der Erde sehen.
Diese schwarzen Löcher mit stellarer Masse existieren in Doppelsternsystemen mit einem Überriesenstern, von dem sie gierig Material abziehen. Ein Teil dieser Sternmaterie wird dann zu den Polen des Schwarzen Lochs gelenkt, wo sie anschließend in relativistischen Hochgeschwindigkeitsstrahlen herausgeschleudert wird. Mikroquasare heißen so, weil sie den Quasaren ähneln, die von riesigen supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden, die sich von der umgebenden Materie ernähren, aber nicht ganz so extrem.
Die 1912 erstmals entdeckte kosmische Strahlung kann unseren Planeten mit schwindelerregenden Energien von bis zu 10²⁰ Elektronenvolt (eV) treffen. Das ist viel energiereicher als die Teilchen, die im Large Hardon Collider, dem größten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Erde, beschleunigt werden.
Aus diesem Grund wurden Supernovas und Mikroquasare als die mächtigen kosmischen Teilchenbeschleuniger unseres Universums vorgeschlagen. Die Wissenschaftler glauben daher, dass diese Phänomene für die hochenergetische kosmische Strahlung verantwortlich sein könnten. Allerdings gab es bisher nur wenige Beweise dafür, dass Mikroquasare Teilchen auf so hohe Energien beschleunigen – bis jetzt jedenfalls.
Das Team stellte die Verbindung zwischen kosmischer Strahlung und Mikroquasaren her, als es das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) einsetzte, um extrem energiereiche Gammastrahlen zu entdecken, die von den Jets des stärksten Mikroquasars in der Milchstraße ausgehen. Er trägt den Namen SS 433.
Diese Gammastrahlen entstehen, wenn die Jets von SS 433 auf die umgebende Materie prallen und eine Schockfront erzeugen, die Elektronen auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die groß genug sind, um die in der hochenergetischen kosmischen Strahlung vorkommenden Teilchen zu erklären.
„Der Beschleunigungsmechanismus ähnelt dem eines Supernova-Überrests, obwohl die Schocks in den Jets von SS 433 schneller sind als die Schocks des Supernova-Überrests und Teilchen auf höhere Energien beschleunigen können“, schreibt Valentí Bosch-Ramon, außerordentlicher Professor an der Universität Barcelona, in einem Perspektivenpapier, das in Science veröffentlicht wurde. „Die sehr energiereichen Photonen, die von den großräumigen Jets von SS 433 entdeckt wurden, sind ein indirekter Hinweis darauf, dass diese Art von Objekten nicht vernachlässigt werden sollte, wenn man versucht, die energiereichsten Kerne in der galaktischen kosmischen Strahlung zu erklären.“
Die kosmische Seekuh
SS 433 war der erste Mikroquasar, der jemals entdeckt wurde; seine Existenz wurde erstmals 1975 bekannt. Er wurde „SS 433“ genannt, nachdem er 1977 in einen Katalog von Himmelskörpern aufgenommen worden war, und erlangte Berühmtheit, als der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke ihn zu einem seiner alternativen „Sieben Weltwunder“ erklärte.
SS 433 befindet sich im Herzen des Supernova-Wracks mit der Bezeichnung W50, das etwa 18.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und den Spitznamen „Seekuhnebel“ trägt. Jahrzehntelange intensive Untersuchungen haben ergeben, dass SS 433 aus einem schwarzen Loch mit einer Masse, die etwa 10 bis 15 Mal so groß ist wie die der Sonne, und einem weißen Überriesenstern besteht. Die beiden sind etwa 15 Millionen Kilometer voneinander entfernt und umkreisen sich alle 13 Erdtage.
Die beiden Bewohner von SS 433 sind nur etwa ein Drittel so weit voneinander entfernt wie der Merkur von der Sonne, und die immense Schwerkraft des Schwarzen Lochs kann die äußeren Schichten seines stellaren Begleiters abstreifen. Dieses abgetragene Material bildet eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch, während ein Teil davon tatsächlich dem Schwarzen Loch zugeführt wird. Andere Teile des Materials werden über starke Magnetfelder zu den Polen des Schwarzen Lochs geleitet. Von dort wird das Material mit etwa 26 % der Lichtgeschwindigkeit hinausgeschleudert.
Das Supernova-Wrack W50, das durch die Strahlen seines Mikroquasar-Besitzers die Form einer kosmischen Seekuh angenommen hat. (Bildnachweis: NASA/NRAO/AUI/NSF, K. Golap, M. Goss)
Diese Düsen wirbeln in einem korkenzieherartigen Muster und sind so stark, dass sie sogar W50 formen.
Das Supernova-Wrack W50 entstand, als ein massereicher Stern etwa 20.000 Jahre vor dem heutigen Erscheinungsbild explodierte. Der Mikroquasar in seinem Inneren hat zwei Ausbuchtungen oder „Buckel“ erzeugt, die W50 das Aussehen einer riesigen kosmischen Seekuh verleihen, daher sein farbenfroher Spitzname. Die Jets von SS 433 sind in Radiowellen zu sehen, die sich auf beiden Seiten ihrer Quelle über etwa 1 Lichtjahr erstrecken. Schließlich verlieren sie an Energie und verdunkeln sich bis zu dem Punkt, an dem sie nicht mehr sichtbar sind. Seltsamerweise tauchen diese relativistischen Jets jedoch etwa 75 Lichtjahre vom Ursprung des Mikroquasars entfernt plötzlich im hochenergetischen Röntgenlicht wieder auf.
Dies deutet darauf hin, so das Team, dass etwas in jedem Jet die Teilchen auf noch höhere Energien und damit auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt, als sie beim Herausschleudern aus dem Schwarzen Loch besaßen.
Eine Illustration des Mikroquasars SS 433, die blaue Materialstrahlen zeigt, die durch den Seekuhnebel ziehen (Bildnachweis: Science Communication Lab für MPIK/H.E.S.S.)
Mit den fünf Teleskopen in Namibia, aus denen H.E.S.S. besteht, untersuchten die Wissenschaftler diese seltsamen Jets von SS 433 im Gammastrahlenlicht und fanden heraus, dass die energiereicheren Gammastrahlen weiter vom Doppelsternsystem entfernt sind.
Die beste Erklärung dafür ist, dass schnelle, stoßbeschleunigte Elektronen infrarote Lichtteilchen streuen und sie in Gammastrahlen umwandeln.
Die Gammastrahlen mit höherer Energie, die in größerer Entfernung vom fütternden Schwarzen Loch gefunden wurden, weisen auf zwei Punkte hin, die etwa 75 Lichtjahre vom zentralen Doppelsternsystem von SS 433 entfernt sind, wo Schocks die Jets wieder zu einer dichten Säule formen und den zugehörigen Teilchen einen Energieschub geben.
Dies erklärt auch das Wiederauftauchen der Jets im Röntgenlicht: Beschleunigte Elektronen erzeugen Röntgenstrahlung.
„Dies ist die allererste Beobachtung einer energieabhängigen Morphologie in der Gammastrahlenemission eines astrophysikalischen Jets“, sagte Laura Olivera-Nieto, Teamleiterin und Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Kernphysik, in einer Erklärung. „Wir waren zunächst über diese Ergebnisse verwundert. Die Konzentration solch hochenergetischer Photonen an den Orten des Wiederauftretens der Röntgenjets bedeutet, dass dort eine effiziente Teilchenbeschleunigung stattfinden muss, was wir nicht erwartet hatten.“
Zusammengesetzte Bilder des Seekuhnebels mit Anzeige der Gammastrahlenemissionen unterschiedlicher Energie (Bildnachweis: Hintergrund: NRAO/AUI/NSF, K. Golap, M. Goss; NASA’s Wide Field Survey Ex-plorer (WISE); X-Ray (grüne Konturen): ROSAT/M. Brinkmann; TeV (rote Farben): H.E.S.S.-Kollaboration).
Es gibt immer noch Rätsel rund um diesen faszinierenden Mikroquasar, die das Team nun zu lösen versuchen wird. Dazu gehört auch die Entdeckung, was die Jets antreibt, um diese Schocks so weit entfernt von dem Doppelsternsystem zu erzeugen, aus dem sie stammen.
„Wir haben immer noch kein Modell, das alle Eigenschaften des Jets einheitlich erklären kann, da noch kein Modell diese Eigenschaft vorhergesagt hat“, sagte Olivera-Nieto.
Das Team wird auch versuchen, das, was es über die Jets von Mikroquasaren gelernt hat, auf die Jets anzuwenden, die von stärkeren, von supermassiven schwarzen Löchern angetriebenen Quasaren ausgehen.
Außerdem deuten diese Erkenntnisse zwar auf eine Quelle für hochenergetische kosmische Strahlung hin, aber das jahrhundertealte kosmische Rätsel ist damit noch nicht gelöst.
„SS 433 kann nicht die Quelle der sehr energiereichen kosmischen Protonen im Peta-Elektronenvolt-Bereich sein, die auf der Erde nachgewiesen wurden, weil die Quelle zu jung ist, als dass ihre Teilchen die Erde erreichen könnten, sobald sie der Quelle entkommen sind“, schreibt Bosch-Ramon. „Näher gelegene und langlebigere Mikroquasare, auch wenn sie schwächer und individuell schwieriger zu entdecken sind, könnten jedoch einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag zur lokalen Peta-Elektronenvolt-Kosmischen Strahlung leisten.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Donnerstag, 25. Januar, in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
