Neuer Erfolg der Gammastrahlen-Astronomie

Internationales Astronomenteam entdeckt weitere geheimnisvolle Quelle hochenergetischer Gammastrahlung in unserer Galaxis

Eine unbekannte Quelle hochenergetischer Gammastrahlung haben Wissenschaftler des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in unserer Milchstraße entdeckt. Solche Gammastrahlung entsteht in der extremen Umgebung kosmischer Teilchenbeschleuniger, wie zum Beispiel in Supernova-Explosionen, und bietet einzigartige Einblicke in die hochenergetischen Prozesse, die sich in unserer Milchstraße abspielen. Die Forscher vermuten, dass es sich bei dem neuen Objekt LS5039 um einen Mikroquasar handelt - ein ungleiches Duo aus einem normalen und einem extrem kompakten Stern, der als Neutronenstern oder Schwarzes Loch fortlaufend Materie von seinem Nachbarstern absaugt (Science Express, 7. Juli 2005).

Die Gamma-Astronomie bei höchsten Energien ist ein ganz junges Forschungsgebiet. Mit dem H.E.S.S.-Instrument konnte zum ersten Mal eine empfindliche Durchmusterung des zentralen Teils unserer Milchstraße durchgeführt werden. Dabei wurden viele bis dahin unbekannte Gamma-Quellen entdeckt.

Bei dem neuen Objekt handelt es sich vermutlich um einen "Mikroquasar", der aus zwei Sternen besteht, die sich in einem engen Orbit umeinander bewegen. Der eine ist ein relativ normaler Stern, während der andere seinen gesamten Energievorrat bereits verbrannt hat und zu einem sehr dichten Kern kollabiert ist. Je nach Art des Sterns ist aus diesem Kollaps entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch hervorgegangen.

Durch das extreme Schwerkraftfeld dieses Objekts wird Materie von dem Begleitstern abgesaugt, und fällt in spiralförmigen Bahnen auf den kompakten Kern. Manchmal ist der Materiefluss so groß, dass der kompakte Kern damit ‚nicht mehr fertig wird’ und das Material in Form eines gebündelten Materiestrahls wieder ausstößt, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Das Ganze ähnelt einer Miniaturausgabe einer Aktiven Galaxie - eines Quasars - nur dass das zentrale Objekt lediglich einige Sonnenmassen wiegt, statt Milliarden Sonnenmassen, und dass es in unserer Galaxie angesiedelt ist, statt viele Millionen Lichtjahre entfernt. Man nennt es deshalb Mikroquasar.

Bisher kennt man nur eine Handvoll solcher Objekte in unserer Galaxis. Eines davon, LS5039 genannt, wurde jetzt von dem H.E.S.S.-Wissenschaftlerteam als Quelle hochenergetischer Gammastrahlung entdeckt. Genau genommen weiß man nicht wirklich, um was für eine Art Stern es sich genau handelt. Einige seiner Eigenschaften lassen den kompakten Kern wie einen Neutronenstern erscheinen, andere deuten eher auf ein schwarzes Loch hin. Dazu kommt, dass sich der ausgestoßene Materiestrahl "langsam" bewegt, mit nur 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit: Sehr schnell für menschliche Begriffe, aber für einen Mikroquasar recht langsam.

Unklar ist auch, wie die Gammastrahlung eigentlich entsteht. Einer der H.E.S.S.-Wissenschaftler, Dr. Guillaume Dubus von der Ecole Polytechnique, stellt klar: "Eigentlich sollten wir dieses Objekt gar nicht sehen können. Die Strahlungsfelder in der Umgebung des kompakten Kerns sind so stark, dass jede Gammastrahlung sofort wieder absorbiert wird." Dr. Paula Chadwick von der Universität Durham fügt hinzu: "Es ist fantastisch, eine ganz neue Art von Gammastrahlungs-Quelle zu finden. Doch wir brauchen weitere Untersuchungen, um zu verstehen, was in diesem Objekt wirklich vorgeht."

Das H.E.S.S.-Instrument mit seinem großen Gesichtsfeld - entsprechend der zehnfachen Größe des Mondes - ist ideal geeignet, um neue Quellen kosmischer Gammastrahlung zu entdecken, da man damit den Himmel absuchen und bisher unbekannte Arten von Gammaquellen entdecken kann. Dr. Stefan Funk vom Max-Planck-Institut für Kernphysik meint dazu: "Die Daten aus der Himmelsdurchmusterung, in der LS5039 entdeckt wurde, sind sicher noch für weitere Überraschungen gut."

Diese Ergebnisse wurden mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia im Südwesten Afrikas erzielt. Dieses System aus vier Teleskopen mit 13 Meter Durchmesser ist das derzeit empfindlichste Nachweisinstrument für hochenergetische Gammastrahlen - eine Strahlung, deren Energie eine Million Million mal energiereicher ist als normales Licht. Diese hochenergetischen Gammastrahlen sind schwer nachzuweisen; selbst eine starke Quelle trifft nur etwa ein Strahlungsquant pro Monat und Quadratmeter auf unsere Atmosphäre. Die Strahlungsquanten werden in der Erdatmosphäre absorbiert; ihr direkter Nachweis würde daher ein riesiges Satelliteninstrument erfordern.

Die H.E.S.S.-Teleskope benutzen einen Trick, um dieses Problem zu umgehen: Sie nutzen die Atmosphäre als Nachweismedium. Wenn Gammaquanten absorbiert werden, senden sie kurze Blitze des so genannten Cherenkov-Lichts aus - ein blaues Leuchten, das nur einige Milliardstel Sekunden andauert. Dieses Leuchten wird mit den großen Spiegeln und empfindlichen Photosensoren der H.E.S.S.-Teleskope aufgefangen. Aus diesen Daten erzeugen die Wissenschaftler dann Bilder astronomischer Objekte im "Licht" hochenergetischer Gammastrahlen.

Die H.E.S.S.-Teleskope wurden über mehrere Jahre hinweg von einem internationalen Team aus über 100 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus Deutschland, Frankreich, England, Irland, der Tschechei, Armenien, Südafrika und Namibia erbaut und in Betrieb genommen. Im September 2004 erfolgte ihre offizielle Einweihung durch den namibischen Premierminister Theo-Ben Gurirab. Schon mit den ersten Daten konnten die Forscher eine Reihe von wichtigen Entdeckungen machen, darunter das erste astronomische Bild einer Supernova-Schockwelle bei allerhöchsten Energien.

Mitglieder des H.E.S.S.-Projekts

Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.)-Team besteht aus Wissenschaftlern aus Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Tschechien, Irland, Armenien, Südafrika und Namibia.

Das H.E.S.S.-Teleskopsystem

Während der letzten Jahre hat die H.E.S.S. Kollaboration ein System von vier Teleskopen im Khomas-Hochland in Namibia gebaut, um hochenergetische Gammastrahlung von Beschleunigern der kosmischen Strahlung studieren zu können. Diese Cherenkov-Teleskope detektieren das Licht, das entsteht, wenn hochenergetische kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft und dort absorbiert wird. Die H.E.S.S.-Teleskope verfügen jeweils über eine Spiegelfläche von 107 Quadratmetern und sind mit 960 hochsensitiven und extrem schnellen Photo-Detektor-Kameras ausgerüstet. Diese Kameras sind in den Brennebenen der Teleskope angebracht. Der Aufbau des Systems begann 2001, das vierte Teleskop wurde im Dezember 2003 in Betrieb genommen. Das H.E.S.S.-System ist deutlich empfindlicher als alle vorherigen Cherenkov-Teleskope.