Die windigen und chaotischen Überreste, die kürzlich explodierte Sterne umgeben, könnten die schnellsten Teilchen im Universum abfeuern.
Hochmagnetische Neutronensterne, bekannt als Pulsare, peitschen einen schnellen und starken magnetischen Wind auf. Wenn geladene Teilchen, insbesondere Elektronen, in diese turbulenten Bedingungen geraten, können sie auf extreme Energien angehoben werden, berichten Astrophysiker am 28. April in der Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe. Darüber hinaus können diese flinken Elektronen dann etwas Umgebungslicht auf ebenso extreme Energien anheben und möglicherweise die sehr hochenergetischen Gammastrahlenphotonen erzeugen, die Astronomen dazu veranlassten, diese Teilchenwerfer überhaupt erst zu entdecken.
„Dies ist der erste Schritt zur Erforschung des Zusammenhangs zwischen den Pulsaren und den ultrahochenergetischen Emissionen“, sagt der Astrophysiker Ke Fang von der University of Wisconsin, Madison, der an dieser neuen Arbeit nicht beteiligt war.
Im vergangenen Jahr gaben Forscher des Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) in China die Entdeckung der energiereichsten Gammastrahlen bekannt, die jemals nachgewiesen wurden, bis zu 1,4 Billiarden Elektronenvolt (SN: 2.2.21). Das ist ungefähr 100-mal so viel Energie wie die höchsten Energien, die mit dem weltweit führenden Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider in der Nähe von Genf, erreichbar sind. Die Identifizierung der Ursachen dieser und anderer extrem hochenergetischer Gammastrahlen könnte buchstäblich auf die Orte kosmischer Strahlung hinweisen – die flinken Protonen, schwereren Atomkerne und Elektronen, die die Erde von Orten außerhalb unseres Sonnensystems bombardieren.
Es wird angenommen, dass einige Gammastrahlen aus derselben Umgebung stammen wie kosmische Strahlen. Eine Möglichkeit, wie sie erzeugt werden, besteht darin, dass kosmische Strahlung kurz nach dem Start auf relativ energiearme Umgebungsphotonen einschlagen und sie zu hochenergetischen Gammastrahlen verstärken kann. Aber die elektrisch geladenen kosmischen Strahlen werden von galaktischen Magnetfeldern abgelenkt, was bedeutet, dass sie sich nicht in einer geraden Linie ausbreiten, was die Bemühungen erschwert, die flinken Teilchen zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen. Gammastrahlen sind jedoch unempfindlich gegenüber Magnetfeldern, sodass Astrophysiker ihre unbeirrbaren Pfade bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgen können – und herausfinden, wo kosmische Strahlung entsteht.
Zu diesem Zweck verfolgte das LHAASO-Team die Hunderte von Gammastrahlen-Photonen, die es entdeckte, zu 12 Punkten am Himmel. Während das Team einen Ort als den Krebsnebel identifizierte, den Überrest einer Supernova etwa 6.500 Lichtjahre von der Erde entfernt, schlugen die Forscher vor, dass der Rest mit anderen Orten von Sternexplosionen oder sogar jungen massereichen Sternhaufen in Verbindung gebracht werden könnte (SN: 24.06.19).
In der neuen Studie haben die Astrophysikerin Emma de Oña Wilhelmi und Kollegen einen dieser möglichen Ursprungspunkte auf Null gesetzt: Pulsarwindnebel, Turbulenzwolken und geladene Teilchen, die einen Pulsar umgeben. Die Forscher waren nicht davon überzeugt, dass solche Orte solche hochenergetischen Teilchen und Licht erzeugen könnten, also machten sie sich daran, durch Berechnungen zu zeigen, dass Pulsarwindnebel nicht die Quellen extremer Gammastrahlen waren. „Aber zu unserer Überraschung sahen wir bei den sehr extremen Bedingungen, das können alle Quellen erklären [that LHAASO saw]“, sagt de Oña Wilhelmi vom Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg.
Die jungen Pulsare im Herzen dieser Nebel – nicht älter als 200.000 Jahre – können aufgrund ihrer ultrastarken Magnetfelder, die eine turbulente magnetische Blase namens Magnetosphäre erzeugen, all diesen Schwung liefern.
Alle geladenen Teilchen, die sich in einem intensiven Magnetfeld bewegen, werden beschleunigt, sagt de Oña Wilhelmi. So steigert der Large Hadron Collider Teilchen auf extreme Energien (SN: 22.4.22). Ein pulsarbetriebener Beschleuniger kann Teilchen jedoch auf noch höhere Energien bringen, rechnet das Team vor. Das liegt daran, dass die Elektronen der Magnetosphäre des Pulsars entkommen und auf die Materie und Magnetfelder der Sternexplosion treffen, die den Pulsar erzeugt hat. Diese Magnetfelder können die Elektronen weiter auf noch höhere Energien beschleunigen, findet das Team, und wenn diese Elektronen auf umgebende Photonen treffen, können sie diese Lichtteilchen auf ultrahohe Energien anheben und sie in Gammastrahlen umwandeln.
„Pulsare sind definitiv sehr starke Beschleuniger“, sagt Fang, mit „mehreren Orten, an denen Teilchenbeschleunigung stattfinden kann“.
Und das könnte zu etwas Verwirrung führen. Gammastrahlen-Teleskope haben ziemlich verschwommenes Sehen. LHASSO kann beispielsweise nur Details erkennen, die etwa halb so groß sind wie der Vollmond. Daher sehen die Gammastrahlenquellen, die das Teleskop entdeckt hat, wie Kleckse oder Blasen aus, sagt de Oña Wilhelmi. Es könnte mehrere energetische Quellen innerhalb dieser Blobs geben, die von aktuellen Observatorien nicht geklärt werden.
„Mit einer besseren Winkelauflösung und einer besseren Empfindlichkeit sollten wir in der Lage sein, was zu identifizieren [and] wo das Gaspedal ist“, sagt sie. Einige zukünftige Observatorien – wie das Cherenkov Telescope Array und das Southern Wide-field Gamma-ray Observatory – könnten helfen, aber sie sind noch einige Jahre entfernt.