Ein Weihnachtsbaum im galaktischen Zentrum

Forscher des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam und des MPI für Astrophysik in Garching haben galaktische Radio­objekte untersucht, die wie Weihnachts­bäume und Harfen aussehen. Mit Hilfe dieser Objekte konnten sie Frage beantworten, wie genau sich kosmische Strahlung ausbreitet.

Die inneren Regionen unserer Galaxie, der Milchstraße, zeichnen sich durch große Mengen an warmem Gas, kosmischer Strahlung und erhöhte Radio­emission aus. „Radio­astronomen beobachten schon seit Jahren flächige Strukturen im galak­tischen Zentrum. Neuere Beobach­tungen mit dem MeerKAT-Teleskop in Südafrika zeigen, dass diese in Gruppen von fast parallelen Filamenten angeordnet sind, die sich über mehrere Licht­jahre erstrecken“, berichtet Timon Thomas vom AIP. „Die Filamente sind scheinbar ihrer Länge nach sortiert, so dass sie wie die Saiten einer Harfe aussehen.“ Die Forscher bezeichnen diese Objekte daher als Radio-Synchrotron-Harfen, da ihre Radio­strahlung durch die Beschleunigung von geladenen Teilchen wie Elektronen in Magnet­feldern entsteht.

„Die beobachteten Strukturen entstehen, wenn masse­reiche Sterne oder Pulsare geordnete Magnet­feld­strukturen durch­fliegen und dabei entlang ihrer Bahn kosmische Strahlungs­teilchen in diese Magnet­felder entladen,“ erklärt Christoph Pfrommer vom AIP. „Die Teilchen breiten sich entlang der Magnet­feld­linien aus, meist quer zur Sternen­bahn, lassen die Magnet­felder im Radio­bereich aufleuchten und wie die Saiten einer Harfe erscheinen.“

Der genaue Transportprozess der Teilchen war bisher ein Mysterium. Die Forscher gehen jetzt davon aus, dass die einzelnen Saiten die chrono­logische Abfolge zeigen, in der die Teilchen sich vom Ort ihrer Frei­setzung entlang der Magnet­feld­linien aus­breiteten. Wäre diese Aus­brei­tung ein Diffusions­prozess, also eine unge­richtete Eigen­bewegung der einzelnen Teilchen, sollten die Objekte abge­rundete Glocken­formen aufweisen, was sie aber nicht tun. Durch die Vermessung einer der Harfen sowie detail­lierte Modell­rechnungen konnten die Wissen­schaftler jetzt zeigen, dass die Teilchen statt­dessen wie in einem Fluss gemeinsam strömen. Damit ist die Strömung der wichtigste Transport­prozess der kosmischen Strahlung. „Hierbei zupfen die Teilchen quasi an den Saiten und regen dabei die Magnet­felder zu Schwingungen an, welche wiederum die Teilchen zu einem strömenden Fluid zusammen­halten,“ erläutert Torsten Enßlin vom MPA, der Initiator der Studie.

Damit ist das jahrzehntealte Rätsel um den Transport der Teilchen kosmischer Strahlung geklärt. Haupt­sächlich strömen die Teilchen, entgegen der bisherigen Annahme, die voranging von Diffusion ausging.

AIP / RK

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen
  T. Thomas, C. Pfrommer & T. Enßlin: Probing Cosmic Ray Transport with Radio Synchrotron Harps in the Galactic Center; Preprint: arXiv:1912.08491 [astro-ph.HE]
  I. Heywood et al.: Inflation of 430-parsec bipolar radio bubbles in the Galactic Centre by an energetic event, Nature, 573, 235 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1532-5
• Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik (C. Pfrommer), Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam
• Information Field Theory Group (T. Enßlin), Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching