Kosmische Strahlung durchquert die Milchstraße ständig. Doch wie sich diese extrem energiereichen Teilchen im galaktischen Magnetfeld bewegen, gehört zu den offenen Fragen der Astrophysik. Neue Messungen liefern nun einen seltenen Einblick in diese Prozesse.
Ein internationales Forschungsteam hat erstmals magnetohydrodynamische Turbulenzen im Umfeld des Pulsars Geminga direkt vermessen. Grundlage sind Beobachtungen des Tibet-ASγ-Experiments. Die Analyse zeigt, wie hochenergetische Elektronen und Positronen in turbulenten Magnetfeldern diffundieren. Gleichzeitig liefert sie Hinweise auf die Beschleunigungsgrenzen dieser Teilchen.
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Ein kosmisches Labor nur 800 Lichtjahre entfernt
Geminga gehört zu den nächsten bekannten Pulsaren. Dabei handelt es sich um schnell rotierende Neutronensterne mit extrem starken Magnetfeldern. Sie entstehen, wenn massereiche Sterne als Supernova explodieren und ihr Kern kollabiert.
Der Pulsar befindet sich etwa 250 Parsecs von der Erde entfernt, also rund 800 Lichtjahre. Um ihn herum liegt ein sogenannter Pulsarwindnebel. Dort beschleunigen Stoßfronten Elektronen und Positronen auf enorme Energien.
Diese geladenen Teilchen erzeugen beim Zusammenstoß mit Photonen hochenergetische Gammastrahlung. Um den Pulsar bildet sich dadurch ein ausgedehnter Gammastrahlenhalo.
Solche Halos sind für Forschende besonders interessant. Sie zeigen, wie sich kosmische Strahlung im interstellaren Medium ausbreitet. Laut Studie eignet sich Geminga deshalb als natürliches Labor für die Untersuchung dieser Prozesse.
Gammastrahlen jenseits von 100 Teraelektronenvolt
Das Tibet-ASγ-Experiment ist speziell auf solche hochenergetischen Ereignisse ausgelegt. Es befindet sich in Yangbajing auf rund 4300 Metern Höhe. Dort registriert ein großes Detektorfeld Luftschauer, die entstehen, wenn Gammastrahlen oder kosmische Teilchen in die Atmosphäre eindringen.
Eine Besonderheit ist ein unterirdisches Myon-Detektorsystem. Es filtert den Großteil der Hintergrundstrahlung heraus. Dadurch lassen sich Gammastrahlen über 100 Teraelektronenvolt präzise nachweisen.
Mit dieser Technik konnten die Forschenden den Gammastrahlenhalo von Geminga bis zu Energien von über 100 TeV untersuchen. Das entspricht etwa dem Hunderttausendfachen der Energie eines Protonenstrahls im Large Hadron Collider.
Die Messungen zeigen zudem eine klare Obergrenze für die Teilchenbeschleunigung im Pulsarwindnebel. Elektronen und Positronen erreichen demnach maximal etwa 100 TeV. Oberhalb dieser Energie fällt ihr Fluss deutlich ab.
Diffusion deutlich langsamer als erwartet
Neben dem Energiespektrum untersuchte das Team auch die räumliche Ausdehnung des Gammastrahlenhalos. Daraus lässt sich ableiten, wie schnell sich Teilchen im Magnetfeld ausbreiten. Das Ergebnis überrascht. Der sogenannte Diffusionskoeffizient in der Umgebung von Geminga liegt nur bei etwa 1 % des durchschnittlichen Wertes in der Milchstraße.
Das bedeutet: Geladene Teilchen bewegen sich dort deutlich langsamer als im restlichen interstellaren Medium. Offensichtlich bremst eine besonders starke magnetische Turbulenz ihre Ausbreitung.
Diese langsame Diffusion spielt auch eine Rolle in einer anderen astrophysikalischen Debatte. Messungen im Erdorbit zeigen einen Überschuss an Positronen in der kosmischen Strahlung. Einige Modelle führen diesen Effekt auf nahe Pulsare wie Geminga zurück. Wenn die Teilchen dort jedoch so langsam diffundieren, erreichen sie die Erde möglicherweise nicht in ausreichender Zahl.
Turbulenzen folgen Kolmogorovs Gesetz
Die Forschenden konnten aus den Messdaten auch das Turbulenzspektrum des Magnetfelds ableiten.
Das Ergebnis folgt einer bekannten Regel aus der Strömungsphysik: der Kolmogorov-Skalierung. Diese beschreibt, wie sich Energie in turbulenten Systemen über verschiedene Größenordnungen verteilt.
Bemerkenswert ist, dass dieses Verhalten selbst auf extrem kleinen astrophysikalischen Skalen erhalten bleibt. Die Studie zeigt erstmals experimentell, dass solche Turbulenzen auch auf Distanzen unter einem Parsec auftreten. Damit bestätigt sich eine wichtige Annahme vieler Modelle der kosmischen Strahlung.
Ursprung der Turbulenz bleibt offen
Eine weitere Frage betrifft die Ursache der starken Turbulenzen rund um Geminga. Eine mögliche Erklärung wäre, dass die beschleunigten Teilchen selbst magnetische Wellen erzeugen. Diese könnten wiederum die Diffusion verlangsamen.
Die Analyse spricht jedoch dagegen. Die Energiedichte der Teilchen reicht offenbar nicht aus, um die beobachtete Turbulenz zu erzeugen. Die Studie vermutet daher eine externe Quelle.
Eine Möglichkeit wäre eine Stoßwelle aus der ursprünglichen Supernova, aus der der Pulsar hervorgegangen ist.
