Ein Paradigmenwechsel in der Röntgenastronomie

Mithilfe des Weltraumteleskops eROSITA ist es Forscherinnen und Forschern des MPE gelungen, das durch unser Sonnensystem verursachte Röntgenleuchten herauszufiltern und dessen Einfluss auf den weichen Röntgenhimmel aufzuzeigen. Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, bei der Analyse von Röntgendaten die Vorgänge im Sonnensystem zu berücksichtigen, und verdeutlichen die Rolle des Instruments bei der Weiterentwicklung nicht nur für die Astrophysik, sondern auch für die Heliophysik.

Dieser Erfolg liefert den bislang klarsten Blick auf den „weichen“ Röntgenhimmel (d.h. bei Röntgenenergien unter 1 keV). Zudem wird die bisher nur als Störung angesehene Strahlung aus dem Sonnensystem als wertvolles Signal genutzt, das Untersuchungen der Zusammensetzung und des Ionisationszustands des Sonnenwinds über alle Breiten in Abhängigkeit von der Sonnenaktivität ermöglicht und die Verteilung interstellaren Gases im Sonnensystem sichtbar macht.

Die Röntgenstrahlung entsteht, wenn hochionisierte Sonnenwind-Teilchen wie Kohlenstoff und Sauerstoff Elektronen von neutralen Atomen einfangen – ein Vorgang, der als solar wind charge exchange (SWCX) bezeichnet wird. Da Atome in der oberen Erdatmosphäre (der Geokorona) und im gesamten Sonnensystem (der Heliosphäre) vorhanden sind, führt das zu einer allgegenwärtigen Vordergrundstrahlung. Sie beeinflusst praktisch jede Untersuchung des diffusen weichen Röntgenhimmels – von der hunderte Lichtjahre großen Lokalen Heißen Blase um das Sonnensystem und dem Milchstraßenhalo bis zu den Außenbereichen entfernter Galaxienhaufen, wo sie Temperatur- und Dichtemessungen verfälschen kann, die für kosmologische Modelle entscheidend sind. Eine präzise Bestimmung der SWCX-Komponente ist daher von großer Bedeutung; sie war aber bisher nur teilweise möglich.

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Das Teleskop hat eine einzigartigen Beobachtungsposition, fern von der Erde, frei von der Röntgenstrahlung der Geokorona, die frühere Beobachtungen beeinträchtigte. In einem Zeitraum von zwei Jahren, der das Minimum und den nachfolgenden Anstieg der Sonnenaktivität überdeckte, konnte es den Röntgenhimmel viermal vollständig kartieren. Durch den Vergleich von Beobachtungen bei unterschiedlichen Sonnenaktivitäten gelang es dem Team um Konrad Dennerl, die heliosphärische SWCX-Komponente zu isolieren und den weichen Röntgenhimmel so zu rekonstruieren, wie er bei Beobachtung von außerhalb des Sonnensystems erscheinen würde. Der mit eROSITA erzielte Fortschritt geht jedoch über eine reine Datenbereinigung hinaus: die SWCX-Emission selbst konnte als wertvolles Signal genutzt werden.

Die Daten zeigen eine klare Entwicklung der heliosphärischen Röntgenemission über den Sonnenzyklus. Während des Sonnenminimums ist die Emission schwach und auf niedrige heliosphärische Breiten beschränkt. Mit zunehmender Sonnenaktivität wird sie intensiver und dehnt sich auf höhere Breiten aus. Dies bestätigt Vorhersagen aus Sonnenwindmessungen. Demnach sollte man zunächst eine Region reduzierter Röntgenemission bei hohen Breiten vorfinden, die sich dann allmählich schließt, „gerade so, als würde man das Sonnensystem im Röntgenlicht atmen sehen", erklärt Gabriele Ponti, dem erstmals aufgefallen war, dass in einem bestimmten Himmelsareal die diffuse Emission zeitliche Schwankungen zeigte.

Weitere Untersuchen ergaben Hinweise auf eine Röntgenquelle nahe der Erdbahn, die nicht die Sonne umkreist – scheinbar im Widerspruch zur Himmelsmechanik. Die Erklärung liegt in der Bewegung unseres Sonnensystems um das Milchstraßenzentrum. Dabei wird es von Gas, das Heliumatome enthält, durchströmt. Die Gravitation der Sonne verbiegt deren Flugbahnen und erzeugt auf der strömungsabgewandten Seite einen konzentrierten Strom – den Helium-Fokussierungskegel. Dieser wurde bereits seit den 1970er-Jahren vorhergesagt und durch Messungen interstellaren Heliums und UV-Beobachtungen bestätigt, doch Röntgennachweise blieben bislang unklar. Mit eROSITA gelang nun die Kartierung des Helium-Fokussierungskegels ohne vorherige Annahmen über seine Lage, allein durch Analyse der aus verschiedenen Positionen beobachteten Röntgenstrahlung.

Rekon­struk­tion der SWCX-Emis­sion in der Eklip­tik­ebene, von Mai bis Ok­to­ber 2021. Ein hell­blau­er Kreis mar­kiert die Erd­bahn, die auf die­ser Ska­la von der Bahn von SRG/eRO­SI­TA kaum zu un­ter­schei­den ist, und hell­blaue Li­ni­en ge­ben die Beob­ach­tungs­rich­tung­en von eRO­SI­TA an. Der Pfeil zeigt die Rich­tung der Son­nen­be­we­gung re­la­tiv zum in­ter­stel­la­ren Me­dium.

Quelle: K. Dennerl, MPE

Aus Sonnenwindmessungen und Daten zur Verteilung interstellaren Materie im Sonnensystem wurde ein dreidimensionales, zeitlich aufgelöstes Modell der SWCX-Emission erstellt. Es ermöglichte eine Bestimmung der zu erwartenden Röntgenstrahlung aus der eROSITA-Perspektive und konnte somit direkt überprüft werden; der Vergleich ergab eine insgesamt gute Übereinstimmung. Das Modell zeigt, dass die Emission zu jedem Zeitpunkt hauptsächlich in spiralförmigen Strukturen innerhalb der Marsumlaufbahn entsteht, die sich als Folge unterschiedlicher Sonnenwindgeschwindigkeiten ausbilden. Wir sehen sie am Röntgenhimmel als Aufhellungen, die je nach Blickrichtung zeitliche Signaturen von Stunden bis Tagen aufweisen. Erst bei Mittelung über mehrere Tage wird der Helium-Fokussierungskegel deutlich sichtbar.

Die Ergebnisse markieren einen Wandel der Perspektive, indem sie ein bisher störendes Ärgernis in ein wertvolles diagnostisches Werkzeug umdefinieren. „Wenn man verfolgen kann, wie der Sonnenwind das Erscheinungsbild des Röntgenhimmels zeitlich verändert, ermöglicht uns das nicht nur eine Bereinigung von Beobachtungen des fernen Universums, sondern liefert uns auch bisher nicht mögliche Einblicke in die Sonnenphysik und die Dynamik der Heliosphäre", bemerkt Konrad Dennerl, einer der Entdecker der Röntgenemission von Kometen im Jahr 1996, die zu einer Erklärung der heliosphärischen Röntgenstrahlung führte. „Das Verständnis der Röntgenemission unseres Sonnensystems ist der Schlüssel zur korrekten Interpretation des diffusen Röntgenhimmels." [MPE / dre]