Extrem energiereiche Gammastrahlung vom Krebspulsar

Der Pulsar im Krebsnebel ist der Überrest einer Super­nova-Explosion aus dem Jahr 1054. Der Neutronen­stern hat einen Durch­messer von etwa zehn Kilo­metern und rotiert etwa dreißig Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Wie ein Leucht­turm sendet er dabei Strahlungs­pulse aus, die sich über das gesamte elektro­magne­tische Spektrum erstecken – von langen Radio­wellen über sicht­bares Licht bis hin zu kurz­welligen, energie­reichen Gamma­strahlen. Mit Hilfe des MAGIC-Tele­skops hat ein Forscher­team nun Photonen vom Krebs­pulsar nachge­wiesen, deren Energie um ein Viel­faches höher liegt als bisher beobachtet. Bis vor wenigen Jahren ging man davon aus, dass die höchste Energie am Krebs­pulsar bei 6 GeV liegt. Im Jahr 2008 registrierte das MAGIC-Teleskop dann Photonen mit einer Energie von über 25 GeV. Und 2012 über­trumpfte das Observa­torium sein eigenes Ergebnis mit Messungen von 400 GeV. Jetzt hat MAGIC sogar Gamma­strahlen bis zu 1,5 TeV gemessen. Aller­dings können die Forscher noch nicht erklären, wie die geladenen Teilchen, die diese Strahlung erzeugen, auf derart hohe Energien beschleunigt werden.

„Bei der Erzeugung energiereicher Teilchen spielt das für Neutronen­sterne enorm starke Magnet­feld eine zentrale Rolle, das seiner­seits extrem starke elek­trische Felder erzeugt“, sagt Razmik Mirzoyan, Sprecher des MAGIC-Kolla­boration und Projekt­leiter am MPI für Physik. „In der magnetisch geladenen, komplexen Atmo­sphäre des Neutronen­sterns werden Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bevor sie zerstrahlen.“ In diesem Modell lässt sich Gamma­strahlung bis zu wenigen Giga­elektronen­volt als Synchrotron- und Krümmungs­strahlung erklären. Für die jetzt beobach­teten Gamma­pulse von über 1,5 TeV muss es aber einen anderen Mecha­nismus geben.

„Wir können extrem energiereiche Gammastrahlen nur dann beobachten, wenn es diesen Elektronen irgendwie gelingt, der komplexen Topologie des Magnet­feldes am Neutronen­stern zu entkommen und sich im elek­trischen Feld zu beschleunigen“, erläutert Mirzoyan. Für diese Flucht der Gamma­strahlen kommt ein indirekter Weg in Frage: Dabei werden nicht die direkt vom Pulsar ausgehenden Elektronen und Positronen gestreut, sondern ihre beschleunigten Abkömmlinge der zweiten oder dritten Generation. Diese entstehen am äußersten Rand des Magnet­feldes in etwa 1500 Kilometern Höhe.

Hier treten energiereiche geladene Teilchen mit UV- und Röntgen­strahlen sowie dem Magnet­feld in Wechsel­wirkung. Anschließend über­tragen die sekundären Teilchen ihre Energie auf niedrig­energetische Photonen und machen sie damit zu energie­reichen Gamma­quanten – die das Magnet­feld verlassen. Mittels dieses inversen Compton-Effekts könnten sich Gamma­photonen auch im Pulsar­wind, weit vom Pulsar entfernt, bilden – wo die beschleunigte Teilchen ebenfalls auf Röntgen­strahlen treffen können. Allerdings kommt die extreme Gamma­strahlung exakt zur gleichen Zeit am MAGIC-Teleskop an, wie energie­ärmere Radio­wellen oder Röntgen­strahlen – von denen man weiß, dass sie im Inneren des Magnet­felds entstehen. Das würde bedeuten, dass die gesamte Strahlung in einer relativ kleinen Region am Rand des Magnet­feldes produziert wird oder die energie­reiche Gamma­strahlung eine Art Erinnerung an Strahlung niedrigerer Energie behält. „Zum heutigen Zeit­punkt kann man annehmen, dass der inverse Compton-Mechanismus die Existenz derart energie­reicher Gamma­strahlen am Pulsar erklären kann“, so Mirzoyan. „Lang­fristig brauchen wir aber neue, detaillierte theoretische Modelle, die das Phänomen beschreiben.“

MPP / RK