Astronomen erforschen einen himmlischen Teilchenbeschleuniger im Aalnebel, der einen fernen Pulsar umgibt.

Nehmen Sie eine Münze aus Ihrer Tasche und werfen Sie sie um. Dieser Münzwurf trägt ein Peta-Elektronenvolt (PeV) an Energie. Stellen Sie sich nun ein Teilchen vor, das eine Million Milliarden Mal kleiner ist als Ihre Münze, weit außerhalb der Reichweite selbst des stärksten Mikroskops – und es flitzt mit derselben Energiemenge vorbei. Dieses eine Teilchen übertrifft die Energie, die die fortschrittlichsten Teilchenbeschleuniger der Menschheit erzeugen können, um das Tausendfache.

Doch das Universum hat keinen Mangel an solchen überaus energiereichen Teilchen. Sie schlagen ständig in die Erdatmosphäre ein. Aber obwohl Astronomen seit langem wissen, dass diese potenten Teilchen existieren, haben sie sich bemüht zu verstehen, wie sie entstehen. Erst vor kurzem haben Daten begonnen, Licht auf dieses Phänomen zu werfen.

Ein verdrehter Pfad

Das Problem ist, dass PeV-Partikel im Allgemeinen geladen sind, egal ob es sich um Protonen oder Elektronen handelt. Als solche sind sie anfällig für die Manipulationen von Magnetfeldern, ihre Pfade biegen sich hin und her, wenn sie die Galaxie durchqueren. Ein einzelnes Teilchen bis zu seiner Quelle zurückzuverfolgen, ist nahezu unmöglich.

Aber die Prozesse, die energetische Teilchen erzeugen, erzeugen auch Gammastrahlen. Und Gammastrahlen, die ladungslose Photonen sind, werden nicht so leicht durch das wirbelnde Magnetfeld der Galaxie in die Irre geführt. Diese Photonen sind also die Boten, die Astronomen mitteilen können, wo Teilchen beschleunigt werden – und wie.

Zwei Einrichtungen sind in den letzten Jahren in Betrieb gegangen, um Astronomen Zugang zu den energiereichsten Gammastrahlen zu verschaffen: das Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) in Tibet und das High-Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC) in Mexiko. Ihre Daten haben es Astronomen ermöglicht, ungefähr ein Dutzend mögliche kosmische Teilchenbeschleuniger, bekannt als Pevatrons, zu identifizieren.

LHAASO, das Observatorium für kosmische Strahlen in Yangbajing im südwestchinesischen Autonomen Gebiet Tibet. Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Der Aalnebel

Einer dieser Pevatron-Kandidaten ist der Aalnebel, 11.400 Lichtjahre entfernt im Sternbild Scutum. In diesem Nebel umgibt eine Wolke aus geladenen Teilchen einen Pulsar, während er durch den Weltraum rast, was zu seiner ausgeprägten Schlangenform führt.

Daniel Burgess (Columbia Astrophysics Laboratory) und sein Team nutzten nicht nur Beobachtungen von Gammastrahlen, sondern auch Röntgenstrahlen und Radiowellen, um die Teilchenwolke zu beschreiben, und stellten ein Computermodell zusammen, das den aktuellen Zustand des Pulsars, des Plasmas um ihn herum und beschreibt ihre Entwicklung im Laufe der Zeit. In einer Studie, die im Astrophysical Journal erscheinen soll (Vorabdruck hier verfügbar), zeigen sie, dass dieses spezielle Pevatron Elektronen auf PeV-Energien beschleunigt.

Diese Animation zeigt zuerst die vom Aalnebel detektierten Röntgenphotonen, dann die Gammastrahlenemission. Gammastrahlen haben eine höhere Energie und eine geringere Auflösung als Röntgenstrahlen, sodass das Bild bei Gammastrahlen viel unschärfer erscheint.Daniel Burgess et al.

„Dies ist eine der ersten eindeutig identifizierten [electron-accelerating] PeVatron-Kandidaten“, sagt Henrike Fleischhack (Catholic University of America). „Die hier vorgestellten Folgebeobachtungen und detaillierten Modellierungen . . . kann als Blaupause für die Untersuchung und Identifizierung anderer PeVatron-Kandidaten dienen.“

Tatsächlich bestätigt Teammitglied Kaya Mori (ebenfalls am Columbia Astrophysics Laboratory), dass das Team daran arbeitet, dieselbe Technik auf mehrere andere Pulsarwolken anzuwenden, darunter zwei Nebel mit den eindrucksvollen Namen Dragonfly und Boomerang. Andere Teams untersuchen alternative Pevatrons, wie die geschockten Plasmablasen, die von Supernova-Explosionen ausgestoßen werden.

Während der Aalnebel eine klare Kandidatenquelle für PeV-Elektronen ist, weist Fleischhack darauf hin, dass die auf der Erde beobachteten energiereichen Teilchen nicht nur aus Elektronen, sondern auch aus Protonen bestehen. Und bisher wurde festgestellt, dass die meisten anderen Pevatron-Kandidaten nur Elektronen beschleunigen.

„Die Frage bleibt“, sagt Fleischhack: „Wo sind die [proton-accelerating] PeVatrons, von denen wir wissen, dass sie da draußen sein müssen?“