Supernova beschleunigt kosmische Strahlung

Offenbar ist es erstmals gelungen, die Beschleunigung galaktischer kosmischer Strahlung durch Schockwellen von Supernova-Explosionen direkt zu beobachten.

Die galaktische kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen und Atomkernen, die vermutlich durch von Supernova-Explosionen ausgelöste Schockwellen im interstellaren Medium beschleunigt werden. Einem Team japanischer und amerikanischer Astrophysiker ist es jetzt offenbar erstmalig gelungen, diesen Beschleunigungsvorgang direkt zu beobachten. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten, verdichten die Schockwellen das interstellare Magnetfeld um mehr als das Hundertfache und erlauben so eine Beschleunigung der Teilchen auf Energien von über 10 ¹⁵ Elektronenvolt.

Bei der Röntgen- und Gammastrahlungsquelle RX J1713.7-3946 im Sternbild Skorpion handelt es sich um den Überrest einer vor etwa 1600 Jahren explodierten Supernova. Der Supernova-Überrest wurde 1996 mit dem Röntgensatelliten Rosat entdeckt. Beobachtungen mit dem HESS-Teleskop in Namibia zeigten 2004, dass RX J1713.7-3946 hochenergetische Gammastrahlung im Tera-Elektronenvolt-Bereich aussendet. Da die Gammaquanten nur von geladenen Teilchen noch höherer Energie erzeugt werden können, zeigte diese Entdeckung, dass in dieser Quelle tatsächlich geladenen Teilchen auf Energien von über 100 TeV beschleunigt werden müssen.

Wo und wie das geschieht, zeigen die jetzt in „Nature“ präsentierten Beobachtungen, die Yasunobu Uchiyama von der Abteilung für Hochenergie-Astrophysik der japanischen Raumfahrtbehörte Jaxa und Kollegen im Juli 2005 und im Mai 2006 mit dem Röntgensatelliten Chandra durchgeführt haben. „Die Beobachtungen zeigen, dass die Röntgenemission einiger kompakter Quellen in der Hülle des Supernova-Überrests variabel sind“, schreiben die Forscher. Die Wissenschaftler konnten mehrere kompakte Strahlungsquellen ausmachen, die im Verlauf von einem Jahr auftauchten oder verschwanden. Ein Dutzend weiterer Quellen zeigte eine signifikante Variabilität auf der Zeitskala von Jahren.

Aus dieser Variabilität lassen sich wertvolle Informationen über die Magnetfelder in genau jener Region gewinnen, in der die Beschleunigung der Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung stattfindet. Denn bei der Röntgenstrahlung handelt es sich um Synchrotronstrahlung von relativistischen Elektronen. Bei der typischen Stärke von Magnetfeldern im interstellaren Raum dürften Variationen in dieser Strahlung aber nur auf Zeitskalen von über hundert Jahren auftreten. „Die beobachtete schnelle Variabilität zeigt uns, das hier erheblich kürzere Zeitskalen vorliegen und ist damit ein starker Hinweis auf eine Verstärkung des Magnetfelds um die abgestoßene Hülle der Supernova herum“, so die Forscher. Im interstellaren Raum liegt die Magnetfeldstärke bei wenigen Mikrogauss, durch die Schockwellen der Supernova scheint es jedoch in den Milligauss-Bereich angehoben worden zu sein.

„Die Existenz von Magnetfeldern im Milligauss-Bereich, die sich aus der Röntgenvariabilität ableiten lässt, ist ein Indiz für die signifikante Verstärkung des interstellaren Magnetfelds durch die Schockfront der Supernova“, schreiben Uchiyama und Kollegen. „Dies ist eine Schlüsselbedingung für die Beschleunigung von Protonen und Atomkernen über die so genannte Lagage-Cesarsky-Grenze von 100 Tera-Elektronevolt hinaus.“ Die schnell variablen Röntgenquellen in RX J1713.7-3946 scheinen also ein Beispiel für die Regionen zu sein, aus denen die hochenergetische galaktische kosmische Strahlung kommt.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Y. Uchiyama et al., Extremely fast acceleration of cosmic rays in a supernova remnant, Nature 449, 576 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06210
• Jaxa:
  http://www.jaxa.jp/index_e.html
• Rosat:
  http://wave.xray.mpe.mpg.de/rosat
• HESS:
  http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/HESS.html
• Chandra:
  http://chandra.harvard.edu