Von Harfen, Weihnachtsbäumen, einem wandernden Stern und den mysteriösen Strömen kosmischer Strahlung – Forscher am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik Garching (MPA) haben galaktische Radioobjekte untersucht, die Formen wie Weihnachtsbäume und Harfen annehmen. Mit Hilfe dieser Objekte konnte die alte Frage beantwortet werden, wie genau sich kosmische Strahlung ausbreitet. Eine Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP).
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 der führende Autor der Studie, Timon Thomas vom AIP. „Die Filamente sind scheinbar ihrer Länge nach sortiert, so dass sie wie die Saiten einer Harfe aussehen.“ Forscher aus Potsdam und Garching nannten diese Objekte daher Radio-Synchrotron-Harfen. Synchrotron ist die Bezeichnung des Mechanismus, der Radiostrahlung durch Beschleunigung von geladenen Teilchen wie Elektronen in Magnetfeldern erzeugt.
„Die beobachteten Strukturen entstehen, wenn massereiche Sterne oder Pulsare geordnete Magnetfeldstrukturen durchfliegen und dabei entlang ihrer Bahn kosmische Strahlungsteilchen in diese Magnetfelder entladen,“ erklärt Prof. Dr. 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 nun 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 Astrophysiker nun 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.
Mit dieser erhellenden Advents-Erkenntnis ist das jahrzehntealte Rätsel um den Transport der Teilchen kosmischer Strahlung geklärt. Hauptsächlich strömen die Teilchen, entgegen der bisherigen Annahme, die vorrangig von Diffusion ausging.
Originalveröffentlichungen
Timon Thomas, Christoph Pfrommer und Torsten Enßlin: Probing Cosmic Ray Transport with Radio Synchrotron Harps in the Galactic Center.
Preprint: https://arxiv.org/abs/1912.08491
Heywood, I., Camilo, F., Cotton, W. D., et al. (2019): Inflation of 430-parsec bipolar radio bubbles in the Galactic Centre by an energetic event. Nature, 573, 235
