Der tiefste Blick in den Röntgenhimmel

eRosita liefert bemerkenswerte Ansichten von heißen und energiereichen Prozessen im All

Nach 182 Tagen hat das vor knapp einem Jahr gestartete Röntgenteleskop eRosita seine erste vollständige Durchmusterung des Himmels abgeschlossen. Die daraus generierte neue Karte des heißen, energiereichen Universums enthält mehr als eine Million Objekte – damit verdoppelt sich in etwa die Zahl der bekannten Quellen, die in der bisher 60-jährigen Geschichte der Röntgenastronomie entdeckt wurden. Bei den meisten der neuen Objekte handelt es sich um aktive galaktische Kerne in sehr großen Entfernungen, die das Wachstum gigantischer schwarzer Löcher im Laufe der kosmischen Zeit markieren.

Energiereiches Universum: Die erste vollständige eRosita-Himmelsdurchmusterung lief über einen Zeitraum von sechs Monaten. Hierbei rotierte das Teleskop kontinuierlich, was eine gleichmäßige Belichtung von etwa 150 bis 200 Sekunden über den größten Teil des Himmels lieferte; die Pole der Ekliptik wurden öfter besucht, wodurch hier die Aufnahmen tiefer sind. Um dieses Bild zu erzeugen, bei dem das gesamte Firmament auf eine Ellipse projiziert wird (Aitoff-Projektion) mit dem Zentrum der Milchstraße in der Mitte und der Scheibe der Milchstraße in der Horizontalen, wurden die Photonen entsprechend ihrer Energie farblich kodiert (rot für Energien 0,3 bis 0,6 keV, grün für 0,6 bis 1 keV, blau für 1 bis 2,3 keV).

Eine Million Röntgenquellen – das ist der beeindruckende Ertrag der ersten vollständigen Himmelsdurchmusterung mit dem eRosita-Teleskop an Bord der Raumsonde Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG). „Dieses Bild des kompletten Himmels ändert völlig die Art und Weise, wie wir das energiereiche Universum betrachten“, sagt Peter Predehl, der leitende Projektwissenschaftler am Garchinger Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Wir sehen einen enormen Reichtum an Details, die Schönheit der Bilder ist wirklich überwältigend.“

Die erste vollständige Himmelsdurchmusterung von eRosita zeigt ungefähr eine Million Quellen und verdoppelt damit in etwa die Zahl derer, die von allen bisherigen Röntgenteleskopen zusammen entdeckt wurden. Das heiße und energiereiche All sieht ganz anders aus als im Blick von optischen oder Radioobservatorien. Außerhalb unserer Heimatgalaxie sind die meisten Quellen aktive Kerne von Galaxien in kosmologischen Entfernungen, in denen supermassereiche schwarze Löcher stecken. Daneben gibt es auch Galaxienhaufen, die als ausgedehnte Röntgenhalos erscheinen und dank des heißen Gases leuchten, das in riesigen Ansammlungen aus dunkler Materie eingeschlossen ist.

Tod eines Sterns: Der Vela-Supernova-Überrest ist aufgrund seiner Größe und der geringen Entfernung zur Erde eines der prominentesten Objekte am Röntgenhimmel. Die Supernova Vela explodierte vor etwa 12.000 Jahren in einer Entfernung von 800 Lichtjahren und überschneidet sich mit mindestens zwei weiteren Supernova-Überresten, Vela Junior (im Bild links unten als bläulicher Ring zu sehen) und Puppis-A (rechts oben). Vela Junior wurde erst vor 20 Jahren entdeckt, obwohl dieses Objekt so nahe an der Erde liegt, dass Überreste dieser Explosion in polaren Eiskernen gefunden wurden. Alle drei Supernova-Explosionen erzeugten sowohl die röntgenhellen Supernova-Überreste als auch Neutronensterne, die als intensive Röntgenpunktquellen in der Nähe der Zentren der Überreste leuchten.

Das Bild des gesamten Himmels enthüllt aber auch die Struktur des heißen Gases in der Milchstraße bis ins kleinste Detail. Ebenso im Blick hat eRosita das Medium, das sie umgibt und dessen Eigenschaften für das Verständnis der Entstehungsgeschichte unserer Galaxis von entscheidender Bedeutung sind. Die Röntgenkarte zeigt aber noch viel mehr: Sterne mit starken, magnetisch aktiven heißen Gashüllen (Coronae); Röntgendoppelsterne, die Neutronensterne, schwarze Löcher oder weiße Zwerge enthalten; spektakuläre Supernova-Überreste in unserer eigenen und anderen nahen Galaxien wie den beiden Magellanschen Wolken.

„Große Himmelsbereiche wurden bereits bei vielen anderen Wellenlängen abgedeckt, mit der Karte von eRosita haben wir jetzt auch noch die entsprechenden Röntgendaten“, sagt Mara Salvato, leitende Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Wir brauchen diese anderen Beobachtungen, um die Röntgenquellen zu identifizieren und ihre Natur zu verstehen.“

Die eRosita-Daten sind auch eine Fundgrube für seltene und exotische Phänomene, darunter viele Arten von veränderlichen Objekten, verschmelzende Neutronensterne und Sterne, die von schwarzen Löchern verschluckt werden. Und: „Das Teleskop sieht oft unerwartete Ausbrüche von Röntgenstrahlen. Wir müssen bodengebundene Observatorien dann sofort alarmieren, um zu verstehen, was dahintersteckt“, sagt Salvato.

Das Zusammensetzen des ersten kompletten Himmelsbildes war eine Mammutaufgabe. Bisher hat das Team etwa 165 Gigabyte an Daten, die von eRositas sieben Kameras gesammelt wurden, empfangen und verarbeitet. Dabei stellt der Betrieb dieses komplexen, eineinhalb Millionen Kilometer von der Erde entfernten Observatoriums im Weltraum eine besondere Herausforderung dar.

„In Zusammenarbeit mit unseren Kollegen in Moskau, die die SRG-Raumsonde betreiben, überprüfen und überwachen wir täglich den Zustand des Instruments“, sagt Miriam Ramos-Ceja, Mitglied des eRosita-Operationsteams am Garchinger Max-Planck-Institut. „So können wir schnell auf alle Anomalien reagieren und gleichzeitig Daten mit einer Effizienz von rund 97 Prozent sammeln.“

Galaxien en masse: Der Shapley-Superhaufen ist eine der massereichsten Galaxienkonzentrationen im lokalen Universum. Er liegt in einer Entfernung von etwa 650 Millionen Lichtjahren. Jede der Dutzend ausgedehnten Strukturen ist selbst ein Galaxienhaufen, der aus 100 bis 1000 einzelnen Galaxien besteht. Jeder Haufen sitzt an den Schnittpunkten der Filamente, aus denen die großräumige Struktur im Universum besteht. Dieses Bild erstreckt sich über einen Raumwinkel von 16 Grad am Himmel (mehr als 30-mal so groß wie der Vollmond), was in der Entfernung des Shapley-Superhaufens einem Durchmesser von etwa 180 Millionen Lichtjahren entspricht. Die Bilder links zeigen vergrößerte Aufnahmen der massereichsten Haufen.

Während das Team nun damit beschäftigt ist, diese erste Karte des gesamten Himmels zu analysieren und die Bilder und Kataloge zu nutzen, um unser Verständnis der Kosmologie und der energiereichen astrophysikalischen Prozesse zu vertiefen, geht die Beobachtung des Röntgenhimmels weiter. „Das SRG-Observatorium beginnt nun seine zweite Himmelsdurchmusterung, die bis Ende dieses Jahres abgeschlossen sein wird“, sagt Rashid Sunyaev, leitender Wissenschaftler des russischen SRG-Teams. In den nächsten dreieinhalb Jahren sollen sieben Himmelskarten erzeugt werden.

Nach den Worten von Kirpal Nandra hat eRosita mit einer Ausbeute von einer Million Quellen in nur sechs Monaten die Röntgenastronomie bereits revolutioniert: „Aber dies ist nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird“, sagt der Leiter der Abteilung Hochenergie-Astrophysik am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Wir untersuchen bereits jetzt ein kosmologisches Volumen des heißen Universums, das viel größer ist, als dies bisherige Analysen geschafft haben.“

In den nächsten Jahren, so prophezeit Nandra, werden die Wissenschaftler wohl in der Lage sein, noch genauer hinzusehen und zu erforschen, wo sich die ersten riesigen kosmischen Strukturen und supermassereichen schwarzen Löcher gebildet haben.

HAE / HOR

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 eRosita ist das Hauptinstrument an Bord von SRG, einer gemeinsamen russisch-deutschen Wissenschaftsmission, die von der Russischen Weltraumagentur (Roskosmos) im Interesse der Russischen Akademie der Wissenschaften, vertreten durch ihr Weltraumforschungsinstitut (IKI), und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt wird. Die SRG-Raumsonde wurde von der Lavochkin Association (NPOL) und ihren Unterauftragnehmern gebaut und wird von NPOL mit Unterstützung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) betrieben.

Die Entwicklung und der Bau des Röntgeninstruments eRosita wurden unter Federführung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) mit Beiträgen der Dr. Karl-Remeis-Sternwarte der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg, der Sternwarte der Universität Hamburg, des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und des Instituts für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen mit Unterstützung des DLR und der Max-Planck-Gesellschaft durchgeführt. Auch das Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn und die Ludwig-Maximilians-Universität München beteiligten sich an der wissenschaftlichen Vorbereitung von eRosita.

Die hier gezeigten Daten wurden mit dem vom deutschen eRosita-Konsortium entwickelten Softwaresystem eSASS verarbeitet.

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