30.06.2022

Rätselhafte Verbindung von Sternentstehung und Radiostrahlung

Modellierung der kosmischen Strahlung liefert grundlegende Erklärung.

Zum fünfzig­jährigen Jahrestag der Entdeckung einer engen Verbindung von Stern­entstehung in Galaxien und deren Infrarot- und Radio­strahlung haben Forschende am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam AIP nun die zugrunde­liegende Physik entschlüsselt. Dazu verwendeten sie neuartige Computer­simulationen der Galaxien­entstehung mit einer kompletten Modellierung der kosmischen Strahlung.

Abb.: Simulation einer sich bildenden Scheiben­galaxie, in welcher kosmische...
Abb.: Simulation einer sich bildenden Scheiben­galaxie, in welcher kosmische Strahlung von Supernova-Überresten beschleunigt wird. (Bild: Werhahn, AIP)

Um die Entstehung und Entwicklung von Galaxien wie unserer Milchstraße zu verstehen, ist es von besonderer Bedeutung, die Menge der neu entstandenen Sterne sowohl in nahen als auch in weit entfernten Galaxien zu kennen. Dabei hilft oft eine bereits vor fünfzig Jahren entdeckte Verknüpfung zwischen der Infrarot- und der Radio­strahlung von Galaxien: Die energie­reiche Strahlung von jungen, massereichen Sternen, die in den dichtesten Regionen der Galaxien entstehen, wird von umliegenden Staub­wolken absorbiert und als energiearme Infrarot­strahlung wieder ausgesendet. Wenn schließlich ihr Brennstoff­vorrat aufgebraucht ist, explodieren diese massereichen Sterne am Ende ihres Lebens als Supernova. Bei dieser Explosion wird die äußere Sternhülle in die Umgebung geschleudert, was einige wenige Teilchen des inter­stellaren Mediums zu sehr hohen Energien beschleunigt, die wir dann kosmische Strahlung nennen. Im Magnetfeld der Galaxie senden diese schnellen Teilchen, die fast mit Licht­geschwindigkeit unterwegs sind, sehr energiearme Radio­strahlung mit einer Wellenlänge von einigen Zentimetern bis Metern aus. Über diese Kette von Prozessen sind neu entstehende Sterne, die Infrarot- und die Radio­strahlung von Galaxien eng miteinander verknüpft.

Die genauen physikalischen Bedingungen für den Ursprung dieser in der Astronomie oft verwendeten Beziehung sind jedoch noch nicht verstanden. Bisherige Erklärungs­versuche scheiterten meist an einer Voraus­sage: Wenn die hoch­energetischen Teilchen der kosmischen Strahlung tatsächlich für die Radio­strahlung dieser Galaxien verantwortlich sind, sagt die Theorie sehr steile Radiospektren voraus – also eine hohe Emission bei tiefen Radio­frequenzen – dies stimmt jedoch nicht mit den Beobach­tungen überein. Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, hat das Team nun erstmalig diese Prozesse einer entstehenden Galaxie realistisch am Computer simuliert und die Energie­spektren der kosmischen Strahlung berechnet. „Bei der Entstehung der galaktischen Scheibe werden kosmische Magnetfelder genau so verstärkt, dass sie mit den starken, beobachteten galak­tischen Magnetfeldern über­einstimmen“, sagt Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astro­physik.

Wenn die kosmischen Strahlungs­teilchen in den Magnetfeldern Radio­strahlung aussenden, verliert diese auf dem Weg zu uns einen Teil ihrer Energie. Das hat zur Folge, dass ihr Radiospektrum bei niedrigen Frequenzen flacher wird. Bei hohen Frequenzen trägt zusätzlich zur Radio­emission der kosmischen Strahlung auch noch die Radiostrahlung des inter­stellaren Mediums bei, die ein flacheres Spektrum aufweist. Die Summe dieser beiden Prozesse kann daher die beobachtete flache Radio­strahlung der gesamten Galaxie und außerdem die Strahlung des Zentrums perfekt erklären. Damit löst sich auch das Rätsel, warum die Infrarot- und die Radiostrahlung von Galaxien so gut miteinander verknüpft sind. „Dadurch können wir die Anzahl der neu entstandenen Sterne anhand der beobach­teten Radio­emission in Galaxien besser bestimmen, um so die Geschichte der Sternentstehung im Universum weiter zu entschlüsseln“, sagt Doktorandin Maria Werhahn.

AIP / JOL

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