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Donnerstag, 12. Mai 2011
Mysteriöser Gammastrahlenausbruch im Krebsnebel:



Washington/ USA - Der Krebsnebel, der Überrest einer einstigen Sternenexplosion (Supernova) im Sternbild Stier, zählt zu den schönsten und zugleich bekanntesten astronomischen Erscheinungen am Himmel. Die von ihm ausgesandte Strahlung galt Astronomen lange Zeit als Konstante im Universum. Mit dem Gammastrahlen-Weltraumteleskop "FERMI" haben Wissenschaftler am 12. April 2011 einen gewaltigen Gammastrahlenausbruch im Krebsnebel registriert und stehen vor einem Rätsel.

Die Gammastrahleneruption war gewaltiger als alle zuvor beobachteten Gammastrahlenausbrüche und dauerte ganze sechs Tage lang an. Der Nebel selbst ist der Überrest einer Supernova, deren Licht die Erde im Jahr 1054 erreichte. Im Zentrum des sich nach und nach ausbreitenden Nebels befindet sich der Rest des einstigen Kerns des Sternes - ein superdichter Neutronenstern, der sich 30 Mal in der Sekunde um seine eigene Achse dreht. Bei jeder dieser Umdrehungen, schleudert der Neutronenstern Gammastrahlen in Richtung Erde und erzeugt dadurch eine pulsartige Emission, wie se für derartig rotierende Neutronensterne, die aus diesem Grund Pulsare genannt werden, charakteristisch ist.

Abgesehen von diesen Pulsen gingen Astrophysiker bislang davon aus, dass die Strahlung des Krebsnebels eine konstante Quelle hochenergetischer Strahlung im All sei. Doch schon im Januar 2011 beobachteten Astronomen mit unterschiedlichen Teleskopen auf der Erde und im All, Helligkeitsveränderungen der Abstrahlung aus dem Nebel im Röntgenspektrum. Schon zuvor beobachtete das Gammastrahlen-Weltraumteleskop "FERMI" sowie der italienische Satellit "AGILE" mehrere kurzlebige Gammastrahlenausbrüche von mehr als 100 Millionen Elektronenvolt (eV), die schon damals die bislang bekannten Variationen im Röntgenbereich energetisch um das Hundertfache übertrafen. Zum Vergleich: Sichtbares Licht verfügt über eine Energie von 2 bis 3 eV.

Am 12. April stieg das Energiepotential der Gammastrahlenabgabe aus dem Nebel dann um das 30-fache an und übertraf die bislang stärksten Ausbrüche dieser Art somit um das Fünffache. Diese Aktivität erreichte ihren Höhepunkt am 16. April und verschwand dann innerhalb der folgenden Tage nach und nach vollständig.

"Diese Superflares sind die intensivsten Ausbrüche dieser Art, die wir bislang beobachten konnten und sie sind sehr verwirrend", erklärt Alice Harding vom "Goddard Space Flight Center" der NASA. "Wir vermuten, dass sie durch eine plötzliche Neuausrichtung des magnetischen Feldes in unmittelbarer Nähe des Neutronensterns (in etwa einem Lichtjahr Entfernung) erzeugt wurden. Wo genau dieser Vorgang jedoch stattfand bleibt weiterhin ein Rätsel."

Bei dieser Neuausrichtung, so vermuten die Forscher, werden Elektronen und andere Partikel auf annähernde Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und interagieren dann mit dem magnetischen Feld, wobei sie Gammastrahlen aussenden. Um für den beobachteten Gammastrahlenausbruch verantwortlich zu sein, müssen die Elektronen ein Energiepotential erreichen, dass selbst die Möglichkeiten, wie sie in Teilchenbeschleunigern wie dem "Large Hadron Collider" (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum "CERN" bei maximaler Auslastung erreicht werden könnten, um das Hundertfache übertreffen. Die Quelle des Ausbruchs selbst, so haben die NASA-Wissenschaftler errechnet, hatte in etwa die Ausdehnung unsres Sonnensystems.



Der Krebsnebel zählt zu den hellsten Himmelsobjekten im Gammastrahlenspektrum (s. Fadenkreuz) | Copyright: NASA

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Rest einer gigantischen Supernova: Der Krebsnebel | Copyright: NASA/ESA

Hamburg/ Deutschland – Wissenschaftler haben erstmals Gammastrahlen mit ungeahnt hoher Energiedichte nachgewiesen, die von einem Pulsar im sogenannten Krebsnebel abgegeben werden. Die Existenz der Gammastrahlen des Krebspulsars mit Energien von über 100 Milliarden Elektronenvolt (100 GeV) widerspricht allen bisherigen Modellen von Pulsaren.

Wie das internationale Team, an dem auch Physiker des "Deutschen Elektronen-Synchrotron"-Forschungszentrums "DESY" beteiligt sind, im Fachmagazin "Science" berichtet, handelt es sich bei dem Krebspulsar um einen sich schnell drehenden Neutronenstern, also den kollabierten Kern eines schweren Sterns. Der Pulsar und der ihn umgebende Krebsnebel sind die Überreste einer spektakulären Sternenexplosion, einer Supernova, die im Jahre 1054 stattfand und zählen zu den am meisten studierten Himmelsobjekten.

30 Mal pro Sekunde dreht sich der Pulsar um seine eigene Achse. "Mit ihm rotiert ein starkes magnetisches Feld" so die DESY-Pressemitteilung, "von dem hochenergetische Strahlung ausgeht. Das schnell rotierende Magnetfeld erzeugt starke elektromagnetische Kräfte, in denen geladene Teilchen bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dabei erzeugen sie Strahlung über ein breites Spektrum. Diese Strahlen drehen sich wie die Scheinwerfer eines Leuchtturms und werden deshalb auf der Erde als schnell pulsierend wahrgenommen."

Die neuen Beobachtungen mit den VERITAS-Teleskopen am "Whipple-Observatorium" im US-Bundesstaat Arizona zeigen, dass der Pulsar Gammastrahlen mit Energien von über 100 Milliarden Elektronenvolt erzeugt. Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat etwa die Energie von einem Elektronenvolt.

Diese unerwartet große Energiemenge widerspricht fast allen astrophysikalischen Theorien, nach denen Krümmungsstrahlung für die gepulste Strahlung vom Krebspulsar verantwortlich ist und die entsteht, wenn hochenergetische, geladene Teilchen sich entlang gekrümmter Magnetfeldlinien bewegen.

Die bisherigen theoretischen Modelle sagen einen exponentiellen Abfall des Spektrums der Krümmungsstrahlung oberhalb etwa 10 Milliarden Elektronenvolt vorher. "Die VERITAS-Beobachtungen von Strahlung mit mehr als zehnmal höherer Energie belegen jetzt, dass es trotz jahrelanger Beobachtungen des Krebspulsars noch kein funktionierendes Modell der Hochenergieemission gibt."

Die Beobachtungen ermöglichen es außerdem, Einsteins spezielle Relativitätstheorie zu testen. Die DESY-Mitteilung erläutert hierzu: "Diese besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Konstante ist. Theoretische Bestrebungen, um in so genannten Quantengravitationstheorien Einsteins Theorie mit der Quantenmechanik zu verbinden, sagen vorher, dass die Lichtgeschwindigkeit in sehr geringem Maße von der Energie eines Gammastrahls abhängt. Je höher die Energie eines Strahls ist, umso langsamer pflanzt er sich im Raum-Zeit-Kontinuum fort. Dies wäre eine Verletzung der 'Lorentz-Invarianz', die im Mittelpunkt der speziellen Relativitätstheorie steht. Mit den VERITAS-Beobachtungen der hochenergetischen Strahlung des Krebspulsars kann nach einer entsprechenden Verletzung gesucht werden. Vom Pulsar werden Gammastrahlen unterschiedlicher Energien zum gleichen Zeitpunkt abgestrahlt. Wenn diese sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, würde sich der Effekt in einer kleinen Verschiebung der Pulspositionen bei verschiedenen Energien offenbaren."

http://de.wikipedia.org/wiki/Krebsnebel

http://www.astronews.com/news/artikel/2006/06/0606-007.shtml

Als chinesische und arabische Astronomen im Frühling des Jahres 1054 nach Christus den Himmel beobachteten, fiel ihnen ein neuer Stern im Sternbild Stier auf, der so hell war wie die Venus. Ihren historischen Überlieferungen zufolge wurde dieser "Gaststern" innerhalb von Wochen zunehmend heller und konnte im Juli dann für 23 Tage sogar am Taghimmel gesehen werden. Seine Beobachtung mit bloßen Augen war über zwei Jahre hinweg möglich.

Heute wissen wir, dass diese Beobachtungen mit der Geburt des Krebsnebels in einer gigantischen Supernova-Explosion zusammenfallen. Nach Millionen von Jahren ruhiger Entwicklung hatte ein massereicher Stern seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht. Damit war die Energiequelle in seinem Zentrum erloschen, die ihn gegen die gewaltigen Kräfte seiner eigenen Gravitation stabilisiert hatte. Innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde stürzte daraufhin sein Kern zu einem Neutronenstern zusammen. Ein solches kompaktes Objekt hat mehr Masse als die Sonne, dabei aber nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern. Dieser Neutronenstern ist heute als Pulsar im Krebsnebel sichtbar. Er dreht sich 33 mal pro Sekunde um die eigene Achse und sendet dabei periodische Strahlungspulse aus.

Der größte Teil des Sterns wurde jedoch in einer ungeheuren Explosion mit einer Energie auseinandergesprengt, die aller Strahlung gleichkommt, welche die Sonne innerhalb von fünf Milliarden Jahren abgegeben hat. Die heißen Sterntrümmer leuchteten dann als jener neue Stern auf, von dem chinesische und arabische Astronomen berichteten. Heute sieht man an dieser Himmelstelle die filigrane Gas- und Staubwolke des Krebsnebels, die mittlerweile eine Ausdehnung von rund sechs Lichtjahren hat und sich immer noch mit 1.500 Kilometern in der Sekunde ausdehnt.

Sie enthält neben den chemischen Elementen, die der Stern in einer Folge nuklearer Brennphasen aufgebaut hat, also zuerst Helium aus Wasserstoff, dann Kohlenstoff aus Helium und schließlich Neon, Magnesium und Sauerstoff aus Kohlenstoff, auch radioaktive Atomkerne, etwa Nickel, die während der Explosion selbst entstanden sind. Der hohe Anteil von Helium und die relative geringe Häufigkeit von Kohlenstoff und Sauerstoff im Krebsnebel wurden als Hinweise darauf interpretiert, dass der explodierende Stern nur die acht- bis zehnfache Masse der Sonne hatte, also gerade noch genug, um sein Leben in einer Supernova-Explosion zu beenden.

Doch warum ist der Stern explodiert? Was war der Grund für dieses spektakuläre Ereignis? Die Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching ist überzeugt, nun die Antwort auf dieses lang ungeklärte Rätsel gefunden zu haben und haben ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht. Ihre ausgeklügelten Computermodelle belegen, dass Neutrinos die treibende Kraft hinter dieser Explosion sind. Diese Elementarteilchen entstehen in riesiger Zahl im sehr heißen und extrem dichten Innern eines neu entstehenden Neutronensterns, vor allem durch Reaktionen von Elektronen und Positronen mit Protonen und Neutronen, den Bausteinen von Atomkernen.

Nachdem die Neutrinos ihren Weg zur Oberfläche des Neutronensterns gefunden haben, verlassen die meisten davon den Stern und tragen auf diese Art 99 Prozent der Energie fort, die während der Bildung des Neutronensterns freigesetzt wird. Weniger als ein Prozent der Neutrinos wird aber in dem stellaren Gas, das den Neutronenstern umgibt, absorbiert, bevor sie entweichen können. Die dadurch übertragene Energie heizt das Sterngas und bringt es zum Brodeln wie Suppe in einem Dampfkochtopf. Der sich aufbauende Druck beschleunigt schließlich die äußeren Sternschichten und zersprengt den Stern in einer Supernova-Explosion.

Obwohl diese Theorie für den Beginn der Explosion schon 25 Jahre alt ist, stellte sich heraus, dass ihre Gültigkeit nur sehr schwer mit Computermodellen zu belegen ist. Nun konnten die Modelle der Garchinger Forscher die theoretischen Ideen zumindest für Sterne im unteren Massenbereich von Supernova-Vorläufersternen stützen. "Mit unserer detaillierten und genauen Beschreibung, wie Neutrinos in der Materie im Supernova-Zentrum entstehen und wechselwirken, können wir bestätigen, dass das Neutrino-Heizen Sternexplosionen auslösen kann wie diejenige, die zur Entstehung des Krebsnebels geführt hat", sagt Francisco Kitaura, der die Computersimulationen durchgeführt hat.

Die neuen Berechnungen stimmen sehr gut mit Beobachtungen überein, nach denen die Energie dieser Explosion nur rund ein Zehntel der einer typischen Supernova war. Anders als frühere Simulationen sagen sie auch nur geringe Mengen Kohlenstoff, Sauerstoff und Nickel im ausgeschleuderten Sterngas voraus. Außerdem fehlt die starke Anreicherung der chemischen Zusammensetzung des Supernova-Überrests mit exotischen, seltenen Elementen, die sich in früheren Modellen ergab und die in krassem Widerspruch zu den beobachteten Elementhäufigkeiten in unserer Milchstraße stand. Wegen der relativ geringen Masse von ausgeschleudertem Sterngas, der niedrigen Explosionsenergie und der kleinen Menge von radioaktivem Material sollten andere Supernovae des Krebs-Typus eine verhältnismäßig schwache Leuchtkraft haben und damit nur schwer bei großen Entfernungen zu entdecken sein, obwohl ein Drittel aller Sternexplosionen von dieser Art sein könnte.

"Unsere Computermodelle legen nahe, dass die Krebs-Supernova nur deshalb ein so ungeheuer helles Ereignis war, weil sie sich in nur 6.300 Lichtjahren Abstand von der Erde ereignet hat", erklärt Wolfgang Hillebrandt, der Leiter der Forschergruppe. "Verglichen mit anderen Supernovae war es eigentlich ein relativ schwaches und unspektakuläres Ereignis. Unsere Computermodelle werden uns sagen, wonach wir künftig Ausschau halten müssen, um weitere solche Fälle aufspüren zu können."


Dazu:

http://de.wikipedia.org/wiki/S%C3%BCdlicher_Krebsnebel

http://sciencev1.orf.at/science/news/58867

http://www.deepsky.at/messier/m1.shtml