Quellen von TeV-Strahlung

Um TeV-Strahlung zu produzieren sind enorme Energien nötig. Daher sind alle Quellen von TeV-Strahlung mit extremen physikalischen Prozessen verbunden, wie man sie zum Beispiel bei Sternenexplosionen (Supernovae und Supernova-Überreste), Gamma-Ray Bursts (GRBs), Röntgen- und Gamma-Doppelsternsystemen und aktiven supermassiven schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien (AGNs) beobachtet.

Supernova-Überreste (SNRs)

Eine häufige Quelle für Gammastrahlung sind Supernova-Überreste, engl. Supernova Remnants (SNR). Kollabiert ein Stern in einer Supernova, so sendet er eine Schockwelle in das umliegende interstellare Medium.


Diese Schockfronten sind sehr effiziente Teilchenbeschleuniger. Modelle sagen voraus, dass mehr als 10% der kinetischen Energie einer Supernova für die Beschleunigung kosmischer Teilchen verbraucht wird. Supernovae stehen deshalb im Verdacht, für den größten Teil der kosmischen Strahlung innerhalb der Galaxis mit Energien bis zu 1015 eV verantwortlich zu sein.

 

Ist zusätzlich Synchrotronstrahlung vorhanden, so kann Kosmische Strahlung durch den inversen Compton−Effekt Gammastrahlung erzeugen. SNR können deshalb mit Gammastrahlenteleskopen untersucht werden. Ähnliche Mechanismen existieren bei Neutronensternen (Pulsaren), die sehr starke elektrische und magnetische Felder erzeugen und als Teilchenbeschleuniger wirken. Ihr Teilchenwind (Pulsarwind) erzeugt ebenfalls Schockfronten im interstellaren Medium, von denen harte Gammastrahlung ausgeht.

Doppelsternsysteme

Beispiel eines Gamma-Doppelsternsystems, bei dem das System aus einem Pulsar und einem blauen Riesen besteht. Der Pulsar kommt in seiner Umlaufbahn dem blauen Riesen so nahe, dass er dessen Gashülle durchstößt. Der Pulsarwind wechselwirkt mit der Gashülle, wobei beim Ein- und Austritt des Pulsars die Gamma-Emission ansteigt, während Radio- und Röntgenemissionen konstant bleiben. [Abb. NASA/Goddard Space Flight Center/Francis Reddy]

Die meisten Sterne, die wir beobachten, sind nicht allein, sondern haben einen Partnerstern, der gravitativ an sie gebunden ist. Unter bestimmten Bedingungen können solche Doppelsternsysteme Materie austauschen. Den Prozess, in dem Materie von dem einen Stern auf den anderen übertragen wird, nennt man Akkretion.

 

Kandidaten für die Emission von Röntgen- und Gamma-Strahlung sind Doppelsternsysteme, die ein kompaktes Objekt enthalten, einen Neutronenstern bzw. ein Schwarzes Loch, auf das Materie von einem Begleitstern akkretiert wird. An der Stelle, an der die Materie auf den Neutronenstern auftrifft, entsteht ein Hotspot, der Röntgen- bzw. Gamma-Strahlung emittiert. Ein ähnliches Szenario ergibt sich, wenn das kompakte Objekt ein Schwarzes Loch mit einer Akkretionsscheibe ist. Auch hier entsteht an der Stelle, an der die akkretierte Materie auf die Scheibe trifft, Röntgen- und Gamma-Strahlung.

Aktive Galaxien

Standardmodell für AGNs. Das supermassive schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie ist von einer riesigen Akkretionsscheibe umgeben. [Abb. C.M Urry & P. Padovani]

Schwarze Löcher im Zentrum von aktiven Galaxien (AGN) haben bis zum milliardenfachen der Masse unserer Sonne und bilden relativistische Jets, an denen Materie ausströmt. Es wird vermutet, dass diese Jets Elektronen auf Energien im TeV−Bereich beschleunigen können und dies die Ursache für starke Emissionen im Gammabereich (durch Synchrotronstrahlung und inversen Compton−Effekt) darstellt.

Datenanalyse und Simulationen

Oben: Simuliertes Spektrum und Beobachtungen für unterschiedliche Szenarien der Ausbreitung von Kosmischer Strahlung im Medium. Unten: Simulierte 1 TeV Himmelskarte im Falle einer langsamen Diffusion in den Molekularwolken. Die grünen Umrisse zeigen die H.E.S.S. Beobachtungen und die grünen Kreise die Lage der zwei H.E.S.S. Quellen. [Abb. Cui et al. 2016]

Das IAAT ist an der Datenanalyse des TeV-Obervatoriums H.E.S.S. beteiligt. Es werden vor allem Supernova-Überreste (SNRs) und Doppelsternsysteme untersucht.

 

In den letzten Jahren wurde zum Beispiel untersucht, ob zwei H.E.S.S.-Quellen, die nah beieinander liegen, möglicherweise auch kausal zusammenhängen (Cui et al. 2016). Die eine Quelle, der Supernova-Überrest HESS J1731-347, produziert starke Gamma- und Röntgenstrahlung, wogegen die größere und noch unbekannte Quelle HESS J1729-345 eine viel schwächere Strahlung aussendet. Die zweite Quelle befindet sich an gleicher Stelle wie aus Radiobeobachtungen bekannte Molekularwolken. Forscher am IAAT haben über Simulationen gezeigt, dass der Supernova-Überrest sehr wahrscheinlich noch dabei ist, zu expandieren, und dass die schwächere Quelle dadurch erzeugt werden kann, dass hochenergetische Kosmische Strahlung, die vom Supernova-Überrest abgestrahlt wurde, mit den benachbarten Molekularwolken wechselwirkt.

 

Weitere Analysen von H.E.S.S. Daten am IAAT haben in den letzten Jahren erlaubt, eine  besseres Verständnis des Ursprungs der TeV-Strahlung zu bekommen (Capasso et al. 2016). So wurde die Morphologie der TeV-Strahlungsemissionsregion mit nie da gewesener Genauigkeit untersucht. Damit konnte die TeV-Strahlungsregion mit der Verteilung des Gases in den Molekularwolken verglichen werden, und so das Szenario der Wechselwirkung von Kosmischer Strahlung mit Molekularwolken weiter bestätigt werden.