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28.10.2019

Dem Krebsnebel ein energiereiches Geheimnis entlockt

Der Krebsnebel ist der Überrest einer vor rund 1000 Jahren beobachteten Supernova in unserer Galaxie. Obwohl es sich um eines der am besten untersuchten Himmelsobjekte handelt, ist es einem internationalen Team erst jetzt mit Hilfe der H.E.S.S.-Teleskope gelungen, die Ausdehnung des Krebsnebels in hochenergetischer Gammastrahlung zu bestimmen. Tübinger Wissenschaftler des Instituts für Astronomie und Astrophysik waren an dem Projekt beteiligt.

In der Bildmitte der Krebsnebel (gelb-orange), wie er in Röntgenstrahlung mit dem Chandra-Teleskop abgebildet wurde (Daten bereitgestellt von M. C. Weisskopf und J. J. Kolodziejczak). Die blauen Punkte entsprechen den rekonstruierten Richtungen von Gammastrahlungsereignissen, wie sie von den H.E.S.S-Teleskopen gemessen wurden. Der weiße Kreis zeigt die von den H.E.S.S.-Wissenschaftlern aus diesen Daten ermittelte Ausdehnung im Gammalicht.
In der Bildmitte der Krebsnebel (gelb-orange), wie er in Röntgenstrahlung mit dem Chandra-Teleskop abgebildet wurde (Daten bereitgestellt von M. C. Weisskopf und J. J. Kolodziejczak). Die blauen Punkte entsprechen den rekonstruierten Richtungen von Gammastrahlungsereignissen, wie sie von den H.E.S.S-Teleskopen gemessen wurden. Der weiße Kreis zeigt die von den H.E.S.S.-Wissenschaftlern aus diesen Daten ermittelte Ausdehnung im Gammalicht.

Bereits mit einem Fernglas kann der Krebsnebel als ausgedehntes Objekt wahrgenommen werden, und dementsprechend lassen sich zum Beispiel mit optischen oder Röntgenteleskopen viele seiner Bestandteile detailliert abbilden. „Es zeigt sich, dass die Ausdehnung des Krebsnebels stark vom betrachteten Energiebereich abhängt“, erklärt David Berge vom DESY-Zeuthen, Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration. „Daraus können Rückschlüsse auf astrophysikalische Prozesse gezogen werden.“ 

Seit dem ersten Nachweis von hochenergetischer Gammastrahlung 1989 mit Teleskopen auf der Erde konnte der Krebsnebel bis heute nicht von einer Punktquelle unterschieden werden. Grund dafür war die vergleichsweise schlechte Auflösung. Im Fachjournal Nature Astronomy präsentieren die Wissenschaftler der in Namibia gelegenen H.E.S.S.-Teleskope nun erstmals eine Messung der Ausdehnung des Krebsnebels in hochenergetischer Gammastrahlung. Dieses Ergebnis ist das Resultat modernster Analyse- und Simulationstechniken, die eine in der Gammastrahlungsastronomie bisher unerreichte Präzision ermöglichen.

Neuartige Simulationsumgebung

Die Wissenschaftler messen mit den H.E.S.S.-Teleskopen das Cherenkov-Licht aus Teilchenschauern, um so die Energie und Einfallsrichtung der zugehörigen Gammastrahlen zu rekonstruieren. „Die Genauigkeit der Richtungsrekonstruktion hängt erheblich von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel den Beobachtungsbedingungen ab“, erklärt Markus Holler von der Universität Innsbruck. „Für die Messung der Ausdehnung einer Quelle sind deshalb verlässliche Simulationen notwendig.“

Für die vorliegende Messung verwendeten die Wissenschaftler erstmals eine neuartige Simulationsumgebung, welche die Bedingungen bei der Beobachtung des Krebsnebels auf einem bisher unerreichten Detailgrad mitberücksichtigt. Die dabei gewonnene Genauigkeit in der Simulation der Daten spiegelt sich eindrücklich im ermittelten Resultat wider. Die gemessene Ausdehnung des Krebsnebels ist etwa zweieinhalb Mal kleiner als die mittlere Richtungsungenauigkeit pro Gammateilchen.

Übereinstimmung mit theoretischen Modellen

Die elektromagnetische Strahlung des Krebsnebels wird überwiegend von hochenergetischen Elektronen sowie deren Antiteilchen, den Positronen, ausgesendet. Dafür sind zwei unabhängige Prozesse verantwortlich: Die Strahlung vom Radio- bis zum Röntgenbereich entsteht durch die Ablenkung der Teilchen im internen Magnetfeld des Krebsnebels. Die höherenergetische Gammastrahlung dagegen ist das Resultat der Streuung der Elektronen und Positronen an Lichtteilchen mit niedrigerer Energie. „Die Beobachtung des Krebsnebels in Gammastrahlung ist somit unabhängig von entsprechenden Messungen bei niedrigeren Energien, auch wenn die dafür verantwortlichen Teilchen die gleichen sind“, sagt Theoretiker und H.E.S.S.-Wissenschaftler Dmitry Khangulyan vom Department of Physics der Rikkyo University in Tokio.

Ein Vergleich der Ausdehnung des Krebsnebels bei verschiedenen Energien zeigt eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Modellen. Dabei weist die Gammastrahlung des Nebels eine stärkere Ausdehnung auf als im Röntgenlicht, aber eine geringere als im ultravioletten Licht. Der Hauptgrund dafür sind die entsprechenden Energien der Elektronen und Positronen des Nebels. Mit steigender Energie sind die Teilchen stärker zum Zentrum hin konzentriert. Da die für die Gammastrahlung verantwortlichen Teilchenenergien zwischen denen der beiden anderen genannten Bereiche liegt, folgt Entsprechendes für die Ausdehnung des Krebsnebels in Gammastrahlung. 

“Natürlich hoffen wir immer auch, mit neuen Beobachtungstechniken auf Unerwartetes zu stoßen,” sagt Gerd Pühlhofer vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen. “Die experimentelle Bestätigung einer von der Theorie vorhergesagten Erwartung gehört aber ebenfalls zu unserem Kerngeschäft und ist gerade für eine so wichtige Referenzquelle wie den Krebsnebel enorm wichtig.”

Indirekte Messung von Gammastrahlung

Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben.

Der Krebsnebel

Der Krebsnebel gehört seit der Erfindung des Teleskops zu den am besten untersuchten, astrophysikalischen Objekten und leuchtet hell durch das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg, von Radio- über Röntgen- bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung. Er ist der Überrest einer Supernova, die im Jahr 1054 im Sternbild Stier beobachtet wurde. 

Publikation:

Resolving the Crab pulsar wind nebula at teraelectronvolt energies. H.E.S.S. Collaboration (H. Abdalla et al.). Journal Nature Astronomy 2019
DOI: 10.1038/s41550-019-0910-0 (https://www.nature.com/articles/s41550-019-0910-0)

Pressemitteilung der H.E.S.S.-Kollaboration

Kontakt: 

Universität Tübingen
Dr. Gerd Pühlhofer
+49 7071 29-74982 
gerd.puehlhoferspam prevention@astro.uni-tuebingen.de

Prof. Dr. Andrea Santangelo
+49 7071 29-78128
santangelospam prevention@astro.uni-tuebingen.de 

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