Anstatt hier auf der Erde in Teilchenbeschleuniger zu investieren, könnten Physiker in Betracht ziehen, nur ein paar Sterne in die Luft zu jagen. Wenn sich Partikel um den Rest bewegen, werden sie durch die enormen Magnetfelder beschleunigt und nähern sich schließlich der Lichtgeschwindigkeit. Die Bilder von Chandra zeigen, dass die Partikel auf die von Theorien vorhergesagte maximale Geschwindigkeit beschleunigt werden.
Mit dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA wurden neue Hinweise auf die Ursprünge der kosmischen Strahlung gefunden, mysteriöse hochenergetische Teilchen, die die Erde bombardieren. Ein außerordentlich detailliertes Bild der Überreste eines explodierten Sterns liefert entscheidende Einblicke in die Erzeugung kosmischer Strahlen.
Zum ersten Mal haben Astronomen die Beschleunigungsrate kosmischer Elektronen in einem Supernova-Überrest abgebildet. Die neue Karte zeigt, dass die Elektronen nahe an der theoretisch maximalen Geschwindigkeit beschleunigt werden. Diese Entdeckung liefert überzeugende Beweise dafür, dass Supernova-Überreste Schlüsselstellen für die Aktivierung geladener Teilchen sind.
Die Karte wurde aus einem Bild von Cassiopeia A erstellt, einem 325 Jahre alten Überrest, der durch den explosiven Tod eines massiven Sterns entstanden ist. Die blauen, wispy Bögen im Bild zeichnen die sich ausdehnende äußere Stoßwelle nach, in der die Beschleunigung stattfindet. Die anderen Farben im Bild zeigen Trümmer der Explosion, die auf Millionen von Grad erhitzt wurde.
"Wissenschaftler haben seit den 1960er Jahren theoretisiert, dass kosmische Strahlen im Gewirr von Magnetfeldern beim Schock erzeugt werden müssen, aber hier können wir dies direkt sehen", sagte Michael Stage von der University of Massachusetts, Amherst. "Wenn wir erklären, woher kosmische Strahlen kommen, können wir andere mysteriöse Phänomene im Hochenergieuniversum verstehen."
Beispiele sind die Beschleunigung geladener Teilchen auf hohe Energien in einer Vielzahl von Objekten, angefangen von Schocks in der Magnetosphäre um die Erde bis hin zu beeindruckenden extragalaktischen Jets, die von supermassiven Schwarzen Löchern erzeugt werden und Tausende von Lichtjahren lang sind.
Wissenschaftler hatten zuvor eine Theorie entwickelt, um zu erklären, wie geladene Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigt werden können - die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen -, indem sie viele Male über eine Stoßwelle hin und her springen.
"Die Elektronen nehmen jedes Mal an Geschwindigkeit zu, wenn sie über die Schockfront springen, wie in einem relativistischen Flipper", sagte Teammitglied Glenn Allen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. "Die Magnetfelder sind wie die Stoßstangen, und der Schock ist wie eine Flosse."
Bei der Analyse des riesigen Datensatzes konnte das Team die Röntgenstrahlen der beschleunigenden Elektronen von denen der erhitzten Sterntrümmer trennen. Die Daten deuten darauf hin, dass einige dieser Elektronen mit einer Geschwindigkeit nahe dem theoretisch vorhergesagten Maximum beschleunigt werden. Kosmische Strahlen bestehen aus Elektronen, Protonen und Ionen, von denen in Röntgenstrahlen nur Glühen von Elektronen nachweisbar ist. Es wird erwartet, dass sich Protonen und Ionen, die den Großteil der kosmischen Strahlung ausmachen, ähnlich wie die Elektronen verhalten.
"Es ist aufregend, Regionen zu sehen, in denen das von kosmischen Strahlen erzeugte Leuchten tatsächlich das 10-Millionen-Grad-Gas überstrahlt, das von den Stoßwellen der Supernova erhitzt wird", sagte John Houck, ebenfalls vom MIT. "Dies hilft uns nicht nur zu verstehen, wie kosmische Strahlen beschleunigt werden, sondern auch, wie sich Supernova-Überreste entwickeln."
Wenn die Gesamtenergie der kosmischen Strahlung hinter der Stoßwelle zunimmt, ändert sich das Magnetfeld hinter dem Schock zusammen mit dem Charakter der Stoßwelle selbst. Die Untersuchung der Bedingungen in den Schocks hilft Astronomen, die Veränderungen des Supernova-Überrests mit der Zeit zu verfolgen und letztendlich die ursprüngliche Supernova-Explosion besser zu verstehen.
Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, verwaltet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur. Das Smithsonian Astrophysical Observatory kontrolliert Wissenschaft und Flugbetrieb vom Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass.
Originalquelle: Chandra-Pressemitteilung
