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Kosmische Teilchenbeschleunigung am Limit

H.E.S.S.-Forschende beobachten zum ersten Mal zeitabhängige Teilchenbeschleunigung außerhalb des Sonnensystems

Doppelstern RS Ophiuchi
Künstlerische Darstellung des Doppelsterns RS Ophiuchi, in dem sich ein Weißer Zwergstern und ein Roter Riese umkreisen. Stellare Materie wird kontinuierlich vom kompakten Begleiter eingefangen und letztlich - nach wiederkehrenden Eruptionen - ins Weltall gestoßen.
© DESY/H.E.S.S., Science Communication Lab
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Nova-Ereignisse sind starke Eruptionen auf der Oberfläche eines weißen Zwergs in Doppelsternsystemen. Daraus resultierende Schockwellen können Teilchen bis in den Gammastrahlenbereich beschleunigen. Nachdem das Fermi-Weltraumteleskop bereits Novae als Quellklasse am Gammastrahlenhimmel etablieren konnte, beobachteten nun Forscherinnen und Forscher mit den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia deren (bisher) höchste Energie. Damit scheint die Nova „RS Ophiuchi“ Teilchenbeschleunigung am theoretischen Limit zu bewirken.
Nova-Ereignisse sind starke Eruptionen auf der Oberfläche eines weißen Zwergs in Doppelsternsystemen. Daraus resultierende Schockwellen können Teilchen bis in den Gammastrahlenbereich beschleunigen. Nachdem das Fermi-Weltraumteleskop bereits Novae als Quellklasse am Gammastrahlenhimmel etablieren konnte, beobachteten nun Forscherinnen und Forscher mit den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia deren (bisher) höchste Energie. Damit scheint die Nova „RS Ophiuchi“ Teilchenbeschleunigung am theoretischen Limit zu bewirken.

Novae entstehen, wenn ein weißer Zwerg Materie von seinem nahen massiven Begleitstern aufsammelt und in thermonuklearen Explosionen „verwertet“. Manche Novae treten in regelmäßigen Abständen erneut auf. Das Binärsystem „RS Ophiuchi“ ist eine solche wiederkehrende Nova; alle 15 bis 20 Jahre gibt es solche Explosionen auf der Sternoberfläche. Beobachtungen mit dem Fermi-Weltraumteleskop haben im vergangenen Jahrzehnt Novae bereits als Phänomene am Gammastrahlungshimmel etablieren können. „Beim letzten Ausbruch von RS Oph im Jahre 2006 war jedoch kein Gammastrahlenteleskop im Orbit“, sagt Prof. Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck und Mitglied beim Fermi-Team und der H.E.S.S.-Kollaboration. Als die Nova nun im August 2021 wieder explodierte, konnte dieses System sowohl vom Weltraum als auch mit Teleskopen auf der Erde detailliert studiert werden.

Insbesondere die mit den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia gewonnen Daten zeigten Erstaunliches. Es wurden sogar Teilchen beobachtet, die mehrere hundertmal höhere Energien aufwiesen als jemals zuvor bei Novae gemessen wurden. Das verfügbare Energiebudget konnte dabei offenbar höchst effizient für die Beschleunigung von Protonen und schwereren Kernen genutzt werden und erreichte die Grenzen, die theoretische Modelle für derartige Situationen vorhersagen. „Der Nachweis des Erreichens von theoretischen Grenzen der Teilchenbeschleunigung in kosmischen Schockwellen hat Konsequenzen für die Hochenergie-Astrophysik“, erklärt Anita Reimer, Professorin für theoretische Astroteilchenphysik an der Universität Innsbruck. „Sie zeigen, dass der mögliche Parameterbereich beim Modellieren von Beschleunigungsprozessen durchaus ausgeschöpft werden kann, in diesem wie vielleicht auch anderen höchstenergetischen astrophysikalischen Systemen.“

Durch wiederholte Beobachtungen in kurzen Zeitabständen konnte die Eruption von „RS Oph“ sozusagen in Echtzeit mitverfolgt werden. Höchstenergetische Gammastrahlung konnte so noch bis zu einem Monat nach der Explosion nachgewiesen werden. „Diese zeitaufgelösten Beobachtungen gestatten genaue Einblicke in die Funktionsweise kosmischer Explosionen“, sagt Dmitry Khangulyan, theoretischer Astrophysiker an der Rikkyo Universität in Tokyo, Japan. „Es ist nun auch denkbar, dass Novae zur allgegenwärtigen kosmischen Teilchenstrahlung beitragen.“

Vielzahl neuer Möglichkeiten

Für Höchstenergiemessungen sind besondere Teleskope notwendig. Das High Energy Stereoscopic System, kurz H.E.S.S., besteht aus fünf Cherenkov-Teleskopen, die zur Untersuchung von Gammastrahlung aus dem All eingesetzt werden. Im größten Teleskop wurde erst vor wenigen Jahren eine neue, hochsensible Kamera installiert. Derartige Kameras werden derzeit auch für das Cherenkov Telescope Array, ein Gammastrahlungs-Observatorium der nächsten Generation, entwickelt.

Am Beginn dieser Untersuchungen standen allerdings Beobachtungen eines Hobbyastronomen, der den Ausbruch von RS Oph im August 2021 im optischen Wellenlängenbereich bemerkte und interessierte Teleskope und Observatorien alarmierte – diese wurden dann schnellstmöglich auf die Nova ausgerichtet. Nicht zuletzt diese schnelle Reaktion der Forschenden sowie die Zusammenarbeit der Astrocommunity trugen grundlegend zum aktuellen Erfolg bei und ermöglichten umfangreiche Nachbeobachtungen. „In den nächsten Jahren wird sich durch Forschung mit CTA-Teleskopen zeigen, ob diese Art von Novae außergewöhnlich sind“, erklärt Stefan Wagner, Professor an der Landessternwarte in Heidelberg und Direktor des H.E.S.S.-Experiments. Zudem wissen Beobachtende nun genauer, wonach sie suchen müssen. Somit ergeben sich eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten, die Geschehnisse im Zusammenhang mit Novae besser zu verstehen und beschreiben.

Über H.E.S.S.

Mehr als 230 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 41 Instituten aus 15 Ländern sind Teil der internationalen Kollaboration H.E.S.S. und haben zu dieser Forschung beigetragen. H.E.S.S. ist ein System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Erforschung der kosmischen Gammastrahlung. Die Teleskope befindet sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, einer Gegend, die für ihre hervorragende optische Qualität bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen und 2012 durch das zentrale, viel größere fünfte Teleskop komplementiert. H.E.S.S. II kann seitdem noch empfindlicher, insbesondere bei niedrigeren Energien, messen.

Publikation: Time-resolved hadronic particle acceleration in the recurrent nova RS Ophiuchi H.E.S.S. COLLABORATION • SCIENCE • 10 Mar 2022 • First Release • DOI: 10.1126/science.abn0567

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Doppelstern RS Ophiuchi
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Kontakt

Olaf Reimer

Univ.-Prof. Dr. Olaf Reimer
Institut für Astro- und Teilchenphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-52060
E-Mail: olaf.reimer@uibk.ac.at
Web: www.uibk.ac.at/astro/

Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-32022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at
Web: www.uibk.ac.at