Galaktische Magnetfelder 04.03.2026, 20:42 Uhr

Geminga enthüllt die turbulente Physik kosmischer Strahlung

Neue Messungen am Pulsar Geminga zeigen, wie turbulente Magnetfelder die Ausbreitung kosmischer Strahlung in der Milchstraße beeinflussen.

Das Tibet-ASgamma-Experiment (Tibet-III-Array und Underground Muon Detector Array)

Tibet-ASγ entdeckt Turbulenzen im Gammastrahlenhalo von Geminga und liefert neue Daten zur Diffusion kosmischer Strahlung.

Foto: Image by IHEP

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.

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.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
intecplan integrierte technische Planung GmbH-Firmenlogo
Technischer Systemplaner / Technischer Zeichner (m/w/d) TGA intecplan integrierte technische Planung GmbH
Düsseldorf Zum Job 
Immobilien Management Essen GmbH (IME)-Firmenlogo
(Senior) Projektkoordinator (m/w/d) Hochbau & Stadtentwicklung Immobilien Management Essen GmbH (IME)
AM Planungsgesellschaft für technische Gebäudeausrüstung mbH-Firmenlogo
Projektingenieur / Techniker Versorgungstechnik HLSK (m/w/d) AM Planungsgesellschaft für technische Gebäudeausrüstung mbH
Mannheim Zum Job 
PERI Group-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Klettertechnik & Automation (m/w/d) PERI Group
Weißenhorn Zum Job 
Hamburger Hochbahn AG-Firmenlogo
Fachbereichsleitung Energieanlagen (w/m/d) Hamburger Hochbahn AG
Hamburg Zum Job 
RheinNetz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur KRITIS-Sicherheitstechnik (m/w/d) RheinNetz GmbH
Dürkopp Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Sales Manager (m/w/d) Sorting Solutions Steuerungstechnik Dürkopp Fördertechnik GmbH
Bielefeld Zum Job 
EMKA Beschlagteile GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Produktentwickler / Konstrukteur (m/w/d) EMKA Beschlagteile GmbH & Co. KG
Wuppertal Zum Job 
RheinNetz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur KRITIS-Gebäudetechnik (m/w/d) RheinNetz GmbH
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (m/w/d) Straßenplanung und Entwurf Die Autobahn GmbH des Bundes
Dillenburg Zum Job 
ista SE-Firmenlogo
Projektingenieur - Technische Gebäudeausrüstung und Energiedienstleistungen (m/w/d) ista SE
Hamburg, Berlin, Düsseldorf, Köln, München Zum Job 
über Tröger & Cie. Aktiengesellschaft-Firmenlogo
Zweigniederlassungsleiter Großprojekte West (m/w/d) über Tröger & Cie. Aktiengesellschaft
Nordrhein-Westfalen Zum Job 
BG ETEM-Firmenlogo
Dozent/in (m/w/d) in der Bildungsstätte Dresden BG ETEM
Dresden Zum Job 
über Kienbaum Consultants International GmbH-Firmenlogo
Leitung (m|w|d) Hoch- und Ingenieurbau über Kienbaum Consultants International GmbH
Baden-Württemberg Zum Job 
intecplan integrierte technische Planung GmbH-Firmenlogo
Projektleiter:in (m/w/d) TGA intecplan integrierte technische Planung GmbH
Düsseldorf Zum Job 
DFS Deutsche Flugsicherung GmbH-Firmenlogo
Architekt / Bauingenieur im Facility Management (w/m/d) DFS Deutsche Flugsicherung GmbH
BRAMM Bau GmbH-Firmenlogo
Bauingenieur - Tiefbau & Rohrvortrieb (m/w/d) BRAMM Bau GmbH
Vaihingen an der Enz Zum Job 
EMS-CHEMIE (Deutschland) GmbH-Firmenlogo
Produktionsleiter Kunststoffherstellung LFT (m/w/d) EMS-CHEMIE (Deutschland) GmbH
Groß-Umstadt Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) Straßenbau Die Autobahn GmbH des Bundes
GVE Grundstücksverwaltung Stadt Essen GmbH-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) Städtische Hochbauprojekte GVE Grundstücksverwaltung Stadt Essen GmbH

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.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.