Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Communications, liefern neue Erkenntnisse über die Rolle von Sternhaufen bei der Beschleunigung kosmischer Strahlung. Sie tragen zur Umverteilung von Materie im galaktischen Maßstab bei und damit zur Entstehung neuer Sterne.
Infrarotbeobachtung, aufgenommen vom James-Webb-Weltraumteleskop; massereiche, helle Sterne mit sechs großen Beugungsspitzen sowie Gas in Rot sind zu erkennen.
ESA/Webb, NASA & CSA, M. Zamani (ESA/Webb), M. G. Guarcello (INAF-OAPA) and the EWOCS team
Mehr als 13.000 Lichtjahre von der Erde entfernt steht der Sternhaufen Westerlund 1 seit Jahrzehnten im Fokus der Astrophysiker. Dieser sehr junge Haufen der Milchstraße – mit knapp 4 Millionen Jahren verglichen mit den 4,5 Milliarden Jahren der Sonne – konzentriert auf einem Durchmesser von nur sechs Lichtjahren Hunderte von massereichen Sternen*, deren kombinierte Leistung einen mächtigen Wind aus Elementarteilchen erzeugt: kosmische Strahlung.
Eine Zusammenarbeit zwischen dem LP2iB und dem Max-Planck-Institut, die auf einer Kombination von Daten des NASA-Satelliten Fermi und des bodengestützten Teleskopnetzwerks H.E.S.S. basiert, hat nun erstmals gezeigt, dass dieser kataklysmische Teilchenwind dem Haufen in Form eines Teilchenflusses entkommt. Dieser könnte letztlich die galaktische Scheibe verlassen, um den galaktischen Halo zu speisen und so zur chemischen Evolution der Galaxie beizutragen.
Seit drei Jahren ist bekannt, dass Westerlund-1, der die Masse von 100.000 Sonnen konzentriert, als natürlicher Teilchenbeschleuniger wirkt und zur Beschleunigung kosmischer Strahlung beiträgt, die hauptsächlich aus Protonen, einer geringen Menge schwererer Kerne und auch Elektronen besteht.
Die Entdeckung einer Gammastrahlung um Westerlund-1 herum durch die H.E.S.S.-Teleskope im Jahr 2022, mit einer Energie im Bereich von Teraelektronenvolt (TeV), hatte tatsächlich die Präsenz von Elektronen verraten, die an den äußeren Rändern des Haufens durch die kollektiven magnetischen Winde seiner zahlreichen massereichen Sterne auf atemberaubende Geschwindigkeiten beschleunigt werden.
Tatsächlich sind es die Gammastrahlen, die durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen in einem als "inverse Compton-Streuung" bezeichneten Prozess erzeugt werden, die indirekt vom H.E.S.S.-Teleskopnetzwerk detektiert werden. Dies ermöglicht es den Wissenschaftlern, auf die Präsenz der kosmischen Strahlung zu schließen. Aber eine Besonderheit verwunderte die Forscher: Diese Strahlung erschien nicht nur in Form eines Rings um den Haufen, sondern auch als eine "Schweif"-förmige Ausdehnung, die aus der galaktischen Ebene hinaus gerichtet war.
"In diesem Kontext habe ich mit dem Max-Planck-Institut zusammengearbeitet", erklärt Marianne Lemoine, Forscherin am LP2I Bordeaux und Hauptautorin des Artikels. "Sie wünschten, dass ich diese H.E.S.S.-Beobachtung anhand der Daten des Fermi-Satelliten untersuche, der ebenfalls Gammastrahlenquellen in der Nähe von Westerlund-1 beobachtet hatte. Tatsächlich hat Fermi Gammastrahlenemissionen im Bereich der Gigaelektronenvolt (GeV) in einer Region detektiert, die sich weit über den Haufen hinaus erstreckt, bis zu mehreren hundert Lichtjahren darüber hinaus. Ich habe dann gezeigt, dass diese Gammastrahlenemissionen nicht von isolierten Quellen stammten, sondern als ein und dasselbe Phänomen verstanden werden müssen. Dass es sich tatsächlich um die Verlängerung der von H.E.S.S. detektierten Gammastrahlung handelt, die dem Haufen in Form eines Teilchenflusses entweicht, der sich über mehr als 500 Lichtjahre im interstellaren Medium ausbreitet."
Nach dieser Analyse machte sich das Team des Max-Planck-Instituts daran, die Phänomene in dieser langen Strahlungsspur zu modellieren. Ihrem Modell zufolge werden die an den Rändern des Haufens beschleunigten Elektronen senkrecht zur Ebene der Galaxie aus diesem heraus in Richtung des galaktischen Halos geschleudert. Die energiereichsten Elektronen verlieren schnell ihre Energie und sind daher nur in der unmittelbaren Nähe des Haufens sichtbar, wo sie die von H.E.S.S. detektierte hochenergetische Gammastrahlung (im TeV-Bereich) erzeugen.
Weiter entfernt vom Haufen werden nur Elektronen detektiert, die bereits einen Teil ihrer Energie verloren haben: Diese sind für die von Fermi beobachtete, diffuser Gammastrahlungsemission verantwortlich. Diese Modellierung des kosmischen Strahlenflusses erhielt eine zusätzliche Bestätigung, als die Untersuchung des interstellaren Gases in dieser Region der Galaxie eine Zone mit verarmter Materie hervorhob, als hätte der Elektronenfluss die umgebende Materie buchstäblich weggeblasen.
Die kosmischen Elektronen werden am Endschock des kosmischen Windes beschleunigt (in Rosa). Die hochenergetischen Elektronen verlieren schnell ihre Energie und emittieren TeV-Gammastrahlen, die von H.E.S.S. gemessen werden. Die niederenergetischeren Elektronen werden entlang des ausströmenden Flusses transportiert und erzeugen die von Fermi-LAT detektierten GeV-Gammastrahlen.
"Mit H.E.S.S. und Fermi können wir indirekt nur die Elektronen nachweisen, die die Gammastrahlen erzeugen. Die Protonen bleiben hier unsichtbar, da die Region um den Haufen sehr materiearm ist: Protonen können nur mit anderen Protonen wechselwirken, und mangels ausreichender Ziele produzieren sie kein nachweisbares Signal", fügt Marianne Lemoine hinzu. "Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass dieser Strom, wenn es ihm gelingt, sich bis zum galaktischen Halo fortzupflanzen, letztlich andere Regionen der galaktischen Scheibe erreichen würde und so zur Umverteilung von Materie in der Milchstraße und damit zur Bildung neuer Sterne und neuer Haufen beitragen würde."
Diese kombinierte Analyse der Daten von Fermi und H.E.S.S. stellt somit einen großen Fortschritt für das Verständnis dar, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit selbst regulieren und entwickeln. Die kommenden Beobachtungen des im Bau befindlichen CTAO-Observatoriums in Chile und auf den Kanarischen Inseln werden zeigen, ob Westerlund-1 einen einzigartigen Fall in der Galaxie darstellt oder ein repräsentatives Modell für viele andere massereiche Haufen im Universum ist.
Anmerkung:
* In der Nachbarschaft der Sonne findet sich im Durchschnitt weniger als ein Stern im gleichen Volumen.