En dobbeltstjerne som en kosmisk partikelaccelerator

Med et specialiseret teleskop i Namibia har et DESY-ledet team af forskere bevist en bestemt type binær stjerne som en ny slags kilde til meget højenergi kosmisk gammastråling. Eta Carinae er placeret 7500 lysår væk i stjernebilledet Carina (skibets køl) på den sydlige himmel og, baseret på de indsamlede data, udsender gammastråler med energier helt op til 400 gigaelektronvolt (GeV), omkring 100 milliarder gange mere end energien fra synligt lys. Holdet ledet af DESYs Stefan Ohm, Eva Leser og Matthias Füßling præsenterer sine resultater, lavet ved gamma-stråleobservatoriet High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), i journalen Astronomi og astrofysik . En medfølgende multimedieanimation forklarer fænomenet. "Med sådanne visualiseringer ønsker vi at gøre fascinationen af ​​forskning håndgribelig, " understreger DESYs direktør for Astropartikelfysik, Christian Stegmann.

Eta Carinae er et binært system af superlativer, bestående af to blå kæmper, en omkring 100 gange, den anden omkring 30 gange vores sols masse. De to stjerner kredser om hinanden hvert 5,5 år i meget excentriske elliptiske baner, deres adskillelse varierer omtrent mellem afstanden fra vores Sol til Mars og fra Solen til Uranus. Begge disse gigantiske stjerner kaster sig tæt, supersoniske stjernevinde af ladede partikler ud i rummet. I processen, den største af de to mister en masse svarende til hele vores sol på kun 5000 år eller deromkring. Den mindre producerer en hurtig stjernevind, der rejser med hastigheder omkring elleve millioner kilometer i timen (ca. en procent af lysets hastighed).

En enorm stødfront er dannet i området, hvor disse to stjernevinde støder sammen, opvarmning af materialet i vinden til ekstremt høje temperaturer. Ved omkring 50 millioner grader Celsius, dette stof udstråler klart i røntgenområdet. Partiklerne i stjernevinden er ikke varme nok til at udsende gammastråling, selvom. "Imidlertid, stødområder som dette er typisk steder, hvor subatomære partikler accelereres af stærke fremherskende elektromagnetiske felter, " forklarer Ohm, hvem er leder af H.E.S.S. gruppe hos DESY. Når partikler accelereres så hurtigt, de kan også udsende gammastråling. Faktisk, satellitterne "Fermi, "drevet af den amerikanske rumfartsorganisation NASA, og AGILE, tilhørende det italienske rumagentur ASI, allerede detekteret energiske gammastråler på op til omkring 10 GeV fra Eta Carinae i 2009.

"Forskellige modeller er blevet foreslået for at forklare, hvordan denne gammastråling produceres, " Füßling rapporterer. "Det kunne genereres af accelererede elektroner eller af højenergiske atomkerner." Det er afgørende at bestemme, hvilket af disse to scenarier der er korrekt:meget energiske atomkerner tegner sig for hovedparten af ​​de såkaldte kosmiske stråler, en subatomisk kosmisk haglstorm, der konstant rammer Jorden fra alle retninger. Trods intens forskning i mere end 100 år, kilderne til de kosmiske stråler er stadig ikke udtømmende kendt. Da de elektrisk ladede atomkerner afbøjes af kosmiske magnetfelter, når de rejser gennem universet, den retning, hvorfra de ankommer til Jorden, peger ikke længere tilbage til deres oprindelse. Kosmiske gammastråler, på den anden side, afbøjes ikke. Så, hvis det kan påvises, at gammastrålerne udsendt af en specifik kilde stammer fra atomkerner med høj energi, en af ​​de længe søgte acceleratorer af kosmisk partikelstråling vil være blevet identificeret.

"I tilfældet Eta Carinae, elektroner har særligt svært ved at blive accelereret til høje energier, fordi de konstant afbøjes af magnetiske felter under deres acceleration, hvilket får dem til at miste energi igen, " siger Leser. "Meget højenergi gammastråling begynder over 100 GeV-området, hvilket er ret svært at forklare i Eta Carinae for at stamme fra elektronacceleration." Satellitdataene viste allerede, at Eta Carinae også udsender gammastråling ud over 100 GeV, og H.E.S.S. er det nu lykkedes at detektere en sådan stråling op til energier på 400 GeV omkring tidspunktet for nærmødet mellem de to blå giganter i 2014 og 2015. Det gør dobbeltstjernen til det første kendte eksempel på en kilde, hvor meget højenergi gammastråling genereres af kolliderende stjernevinde.

"Analysen af ​​gammastrålingsmålingerne taget af H.E.S.S. og satellitterne viser, at strålingen bedst kan fortolkes som et produkt af hurtigt accelererede atomkerner, " siger DESYs ph.d.-studerende Ruslan Konno, der har offentliggjort en ledsagerundersøgelse, sammen med forskere fra Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg. "Dette ville gøre chokområderne fra kolliderende stjernevinde til en ny type naturlig partikelaccelerator for kosmiske stråler." Med H.E.S.S., som er opkaldt efter opdageren af ​​kosmiske stråler, Victor Franz Hess, og det kommende Cherenkov Telescope Array (CTA), næste generations gamma-observatorium, der i øjeblikket bygges i det chilenske højland, forskerne håber at kunne undersøge dette fænomen mere detaljeret og finde flere kilder af denne art.

Takket være detaljerede observationer af Eta Carinae ved alle bølgelængder, stjernernes egenskaber, deres baner og stjernevinde er blevet bestemt relativt nøjagtigt. Dette har givet astrofysikere et bedre billede af det dobbelte stjernesystem og dets historie. For at illustrere de nye observationer af Eta Carinae, DESY-astrofysikerne har lavet en videoanimation sammen med animationsspecialisterne fra det prisvindende Science Communication Lab. De computergenererede billeder er tæt på virkeligheden, fordi den målte orbital, stjerne- og vindparametre blev brugt til dette formål. Den internationalt anerkendte multimediekunstner Carsten Nicolai, der bruger pseudonymet Alva Noto til sine musikalske værker, skabte lyden til animationen.

"Jeg finder videnskab og videnskabelig forskning ekstremt vigtig, siger Nicolai, der ser tætte paralleller i kunstneres og videnskabsmænds kreative arbejde. For ham, appellen af ​​dette værk lå også i den kunstneriske formidling af videnskabelige forskningsresultater:"især det faktum, at det ikke er et filmsoundtrack, men har en ægte reference til virkeligheden, " understreger musikeren og kunstneren. Sammen med den udelukkende komponerede lyd, dette unikke samarbejde mellem videnskabsmænd, animationskunstnere og musiker har resulteret i et multimedieværk, der tager seerne med på en ekstraordinær rejse til en superlativ dobbeltstjerne omkring 7500 lysår væk.