23.12.2019 • Astrophysik

Ein Weihnachtsbaum im galaktischen Zentrum

Radiobeobachtungen zeigen, wie sich kosmische Strahlung ausbreitet.

Forscher des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam und des MPI für Astrophysik in Garching haben galaktische Radioobjekte untersucht, die wie Weihnachtsbäume und Harfen aussehen. Mit Hilfe dieser Objekte konnten sie Frage beantworten, wie genau sich kosmische Strahlung ausbreitet.

Abb.: Die Beobachtung seltsam geformter Objekte wie der Radio-Synchrotron-Harfe... — Abb.: Die Beobachtung seltsam geformter Objekte wie der Radio-Synchrotron-Harfe und dem Radio-Synchron-Weihnachtsbaum im galaktischen Zentrum zeigt, wie sich kosmische Strahlung ausbreitet. (Bild: T. Thomas, AIP / MeerKat)

Die inneren Regionen unserer Galaxie, der Milchstraße, zeichnen sich durch große Mengen an warmem Gas, kosmischer Strahlung und erhöhte Radioemission aus. „Radioastronomen beobachten schon seit Jahren flächige Strukturen im galaktischen Zentrum. Neuere Beobachtungen mit dem MeerKAT-Teleskop in Südafrika zeigen, dass diese in Gruppen von fast parallelen Filamenten angeordnet sind, die sich über mehrere Lichtjahre erstrecken“, berichtet Timon Thomas vom AIP. „Die Filamente sind scheinbar ihrer Länge nach sortiert, so dass sie wie die Saiten einer Harfe aussehen.“ Die Forscher bezeichnen diese Objekte daher als Radio-Synchrotron-Harfen, da ihre Radiostrahlung durch die Beschleunigung von geladenen Teilchen wie Elektronen in Magnetfeldern entsteht.

„Die beobachteten Strukturen entstehen, wenn massereiche Sterne oder Pulsare geordnete Magnetfeldstrukturen durchfliegen und dabei entlang ihrer Bahn kosmische Strahlungsteilchen in diese Magnetfelder entladen,“ erklärt Christoph Pfrommer vom AIP. „Die Teilchen breiten sich entlang der Magnetfeldlinien aus, meist quer zur Sternenbahn, lassen die Magnetfelder im Radiobereich aufleuchten und wie die Saiten einer Harfe erscheinen.“

Der genaue Transportprozess der Teilchen war bisher ein Mysterium. Die Forscher gehen jetzt davon aus, dass die einzelnen Saiten die chronologische Abfolge zeigen, in der die Teilchen sich vom Ort ihrer Freisetzung entlang der Magnetfeldlinien ausbreiteten. Wäre diese Ausbreitung ein Diffusionsprozess, also eine ungerichtete Eigenbewegung der einzelnen Teilchen, sollten die Objekte abgerundete Glockenformen aufweisen, was sie aber nicht tun. Durch die Vermessung einer der Harfen sowie detaillierte Modellrechnungen konnten die Wissenschaftler jetzt zeigen, dass die Teilchen stattdessen wie in einem Fluss gemeinsam strömen. Damit ist die Strömung der wichtigste Transportprozess der kosmischen Strahlung. „Hierbei zupfen die Teilchen quasi an den Saiten und regen dabei die Magnetfelder zu Schwingungen an, welche wiederum die Teilchen zu einem strömenden Fluid zusammenhalten,“ erläutert Torsten Enßlin vom MPA, der Initiator der Studie.

Damit ist das jahrzehntealte Rätsel um den Transport der Teilchen kosmischer Strahlung geklärt. Hauptsächlich strömen die Teilchen, entgegen der bisherigen Annahme, die voranging von Diffusion ausging.

AIP / RK