Wie Teilchen auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden

Wo und wie höchstenergetische Gammastrahlung in der zwölf Millionen Lichtjahre entfernten Radiogalaxie Centaurus A entsteht hat ein Forscherteam mit Beteiligung von Innsbrucker Astrophysikern herausgefunden. Wie die Gruppe im Fachjournal "Nature" berichtet liegt der Ursprung der auf Höchstenergie beschleunigten Teilchen im sogenannten Jet - einem riesigen, gerichteten Materiestrom - der Galaxie.

Radiogalaxien besitzen ein aktives und hell leuchtendes Zentrum, aus dem gewaltige Ströme von Materie ausgestoßen werden. Ihre Energie beziehen diese Jets vermutlich von extrem massereichen Schwarzen Löchern, die hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen haben. Die Jets schleudern Teilchenströme mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit Hunderte bis Tausende Lichtjahre weit ins Weltall. Weil viele Radiogalaxien so weit entfernt sind, können ihre Strukturen jedoch nur schwierig beobachtet werden, die Auflösung ist zu gering.

Kosmische Gammastrahlung lässt sich nicht direkt messen

So war bisher unklar, ob die von Centaurus A ausgesendete höchstenergetische Gammastrahlung vom Galaxienkern oder vom Jet emittiert wird, erklärte Markus Holler vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck in einer Aussendung. Holler ist auch Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration, die Daten des weltgrößten Gammastrahlen-Teleskops H.E.S.S. in Namibia nutzt. H.E.S.S. steht für "High Energy Stereoscopic System" und ist eine Hommage an den österreichischen Physiker Victor Franz Hess (1883-1964), der 1912 die Kosmische Strahlung entdeckt und 1936 dafür den Nobelpreis erhalten hat.

Die kosmische Gammastrahlung lässt sich nicht direkt messen. Vielmehr beobachten die Teleskope von H.E.S.S. das sogenannte Cherenkov-Licht. Diese schwachen, bläulichen und extrem kurzen Lichtblitze entstehen, wenn die Gammastrahlen in der Erdatmosphäre auf Luftmoleküle stoßen und dabei unzählige weitere Teilchen erzeugen. Dieser Teilchenschauer verursacht dann die Leuchteffekte. Die große Herausforderung besteht darin, aus dieser indirekten Information mit geringer räumlicher Auflösung verlässlich auf die eigentlichen Verhältnisse an der Quelle zu schließen.

Neuartige Methode für die Analyse

Holler und seine Kollegen aus der Arbeitsgruppe um Olaf Reimer nutzten eine neuartige, präzisere Methode für die Analyse der insgesamt über 200 Stunden Beobachtungszeit von Centaurus A mit den H.E.S.S.-Teleskopen. Damit gelang es ihnen, hochenergetische Gammastrahlung entlang des Jets von Centaurus A nachzuweisen.

Berücksichtigt man die über andere Messinstrumente gewonnenen Informationen über Centaurus A, etwa Beobachtungen im Radio- und Röntgenstrahlenbereich, lasse sich die Gammastrahlen-Emission nur mit einem extrem effizienten, entlang des Jets verteilten, kontinuierlich operierenden Beschleunigungsmechanismus erklären, betonte die Theoretikerin Anita Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Uni Innsbruck. Allein die Tatsache, dass Photonen aus dem Jet bis in diesen hochenergetischen Gammastrahlenbereich nachgewiesen werden konnten, "setzt dort die Existenz von geladenen Teilchen voraus, die eine Energie von mindestens 10 bis 100 Billionen Elektronenvolt erreichen müssen".

Olaf Reimer koordiniert die österreichische Beteiligung an Vorbereitung und Bau der nächsten Generation eines Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums. Er hofft, dass das Cherenkov Telescope Array (CTA), das in Chile errichtet werden soll, die Frage beantworten kann, ob eine ähnlich effiziente Teilchenbeschleunigung in den ausgedehnten Jetbereichen auch ein Merkmal anderer aktiver Galaxienkerne ist.