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KREBSNEBEL
Kalter Wind sorgt für Gammapulse
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
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16. Februar 2012

Eine der hellsten Hochenergie-Gammastrahlenquellen am Himmel ist der Pulsar im Krebsnebel, von dem kürzlich auch sehr energetische gepulste Strahlung beobachtet wurde. Jetzt könnten Wissenschaftler dafür eine Erklärung gefunden haben: Sie beruht auf der abrupten Beschleunigung eines ultraschnellen Windes aus kalten Elektronen und Positronen, die einige Erddurchmesser vom Pulsar entfernt erfolgt.

Krebsnebel

Der Krebsnebel in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble.  Bild: NASA, ESA und Allison Loll / Jeff Hester (Arizona State University) / Davide De Martin (ESA/Hubble)

Der Krebspulsar, ein sich schnell drehender Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld, ist das Ergebnis einer spektakulären Supernova, die im Jahre 1054 nach Christus im Sternbild Stier aufleuchtete. Der Stern hat die 1,4-fache bis doppelte Masse unserer Sonne und dabei nur einen Durchmesser von 28 bis 30 Kilometer. Gemeinsam mit dem ihn umgebenden Krebsnebel gehört er zu den am besten untersuchten astronomischen Objekten.

Astrophysiker vermuten, dass aus der Magnetosphäre des Krebspulsars ein sehr schneller Wind aus Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen entweicht, der dann im interstellaren Medium endet. Die Entwicklung dieses Windes lässt sich dabei in drei Phasen einteilen: In etwa 1.000 Kilometern Abstand vom Pulsar wird die Rotationsenergie des Pulsars in elektromagnetische Energie umgewandelt, die dann ihrerseits in Bewegungsenergie des Elektron-Positron-Plasmas konvertiert und der Wind damit beschleunigt wird. Schließlich endet der Wind durch Kollision mit der umgebenden Materie in einer stehenden Stoßwelle in etwa 0,3 Lichtjahren Entfernung. Hier werden Elektronen und Positronen auf extrem hohe Energien beschleunigt und so die ausgedehnte nicht-thermische Strahlung des Krebsnebels verursacht. Um die beobachteten Daten erklären zu können, sollten alle drei Prozesse außerordentlich effizient verlaufen.

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Sowohl der Krebspulsar als auch der Krebsnebel sind starke Quellen im Gammastrahlenlicht, wobei der Pulsar im hohen und der Nebel vorwiegend im sehr hohen Energiebereich strahlen. Die dritte Schlüsselkomponente, der Wind, die den Energietransport vom Pulsar zum Nebel ermöglicht, scheint auf den ersten Blick jedoch eine quasi "unsichtbare Substanz" zu sein. Denn obwohl der Wind selbst sich mit äußerst hoher Geschwindigkeit bewegt, sind im mitbewegten System die Elektronen "kalt": Sie weisen keine Relativbewegung zum Magnetfeld auf und emittieren daher keine Strahlung.

Allerdings kann der Wind im Gammastrahlenlicht sichtbar werden, wenn Röntgen-Photonen aus der Magnetosphäre oder auch von der Oberfläche des Neutronensterns durch die schnellen Elektronen und Positronen des Windes zu höheren Energien hin gestreut werden. Dieser Prozess wird inverse Compton-Streuung genannt. In einem Beitrag, der jetzt in der Fachzeitschrift Nature erscheint, zeigt ein Team um Felix Aharonian vom Max-Planck-Institut für Kernphysik und dem Dublin Institute for Advanced Studies, dass sich die jüngsten überraschenden Entdeckungen gepulster sehr hochenergetischer Gammastrahlung durch die Tscherenkow-Teleskopsysteme VERITAS und MAGIC (astronews.com berichtete) am besten durch diese inverse Compton-Streuung erklären lassen.

Gepulste Röntgen-Photonen des Pulsars wechselwirken mit schnellen Elektronen des Windes vorwiegend in deren Beschleunigungszone. Der Wind ist somit die Quelle der gepulsten Gammastrahlung und erklärt die Beobachtungen mit nur drei Parametern: Beschleunigungsort des Windes, Endgeschwindigkeit und Anisotropie. Wenn diese Erklärung zutrifft, dann liefert die Entdeckung gepulster, sehr hochenergetischer Gammastrahlung den ersten Beobachtungsnachweis für die Existenz eines kalten, ultraschnellen Elektron-Positron-Windes im Krebspulsar.

Die Gammabeobachtungen ermöglichen eine gute Lokalisierung der Stelle, an der die elektromagnetische Energie des Windes in Bewegungsenergie umgewandelt wird, sowie eine gute Abschätzung der Geschwindigkeit, mit der dieser Übergang erfolgt. Die Ergebnisse zeigen eine nahezu plötzliche Beschleunigung des Windes auf extrem hohe Geschwindigkeiten in einem engen zylindrischen Abstandsbereich von 20 bis 50 Tausend Kilometern um die Rotationsachse des Pulsars. Obwohl die gefundene, ultraschnelle Natur des Windes die allgemeine Grundvorstellung von Pulsarwinden unterstützt, stellen die jetzt gefundenen Parameter über die Beschleunigung des Windes nach Ansicht der Wissenschaftler doch eine gewissen Herausforderung für bestehende Modelle dar.

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siehe auch
Pulsare: Überraschende Strahlung aus dem Krebsnebel - 7. Oktober 2011
Hubble: Beeindruckendes Mosaik des Krebs-Nebels - 5. Dezember 2005
Crab-Nebel: Ein Pulsar als Filmstar - 20. September 2002
Krebsnebel: Einzigartiger innerer Ring - 29. September 1999
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Kernphysik
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