Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Blasen im Pulsarwind schlagen Funken

22.11.2017

Neuer Mechanismus für flackerndes Gammalicht aus dem Krebsnebel: Für die seit ihrer Entdeckung vor einigen Jahren rätselhaften Ausbrüche hochenergetischer Gammastrahlen aus dem Krebsnebel haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue theoretische Erklärung geliefert. Eine plötzliche Verringerung des Teilchenstroms, der den Pulsarwind des Nebels speist, sorgt für eine induktive Beschleunigung weniger Teilchen, die aber umso höhere Energien aufnehmen. Treffen diese auf die äußeren Bereiche des Nebels, so erzeugen sie die beobachtete kurzzeitige Intensivierung des Gammalichts.
[Physical Review Letters, 21.11.2017]

Der Krebsnebel (M1) ist der Überrest einer spektakulären Supernova, die im Jahre 1054 n. Chr. im Sternbild Stier aufleuchtete. Die Sternexplosion hinterließ im Zentrum den Krebspulsar, einen Neutronenstern von 1,4 bis 2 Sonnenmassen mit einem Durchmesser von nur 10 bis 30 km, der sich sehr schnell (gut 30 Mal pro Sekunde) um seine Achse dreht.


Der Krebsnebel (M1) - Komposit aus Aufnahmen bei verschiedenen Wellenlängen: Infrarot (rot, Spitzer) sichtbares Licht (grün, Hubble), Röntgen (hellblau, Chandra).

Bildquelle: NASA


Schema des Krebsnebels: vom Pulsar ausgehende EM-Wellen (blau) und Pulsarwind (hellblau) mit Blasen geringerer Dichte (weiß). Beschleunigte Teilchen erzeugen an der Schockfront Gammastrahlung (rot).

Grafik: MPIK

Er besitzt ein starkes Magnetfeld, dessen Achse gegenüber der Rotationsachse geneigt ist und so im Magnetfeld gefangene geladene Teilchen mitführt. Aus den zentralen Bereichen geht ein „Pulsarwind“ aus – ein Plasmastrom aus relativistischen Elektronen und ihren Antiteilchen (Positronen). Ihre Energie beziehen sie aus der Rotation des Neutronensterns mit seiner geneigten Magnetosphäre, die wie ein Quirl den Pulsarwind-Nebel durchrührt und hochfrequente elektromagnetische Wellen abstrahlt.

Wo der Pulsarwind in einigen Lichtmonaten Entfernung vom Zentrum auf die äußeren Bereiche des Krebsnebels trifft, bildet sich eine Schockfront. Die auf extrem hohe Energien beschleunigten Elektronen und Positronen produzieren schließlich die ausgedehnte nicht-thermische Strahlung des Krebsnebels. Diese sehr effizienten Prozesse machen ihn zu einer der hellsten Quellen hochenergetischer Gammastrahlung, wobei der Pulsar im hohen und der Nebel vorwiegend im sehr hohen Energiebereich leuchten.

Neben dem regulären Pulsieren der Gammastrahlung, die vom Krebsnebel ausgeht, hat u. a. der Fermi-Satellit in den „Dunkelphasen“ unregelmäßige Eruptionen („Flares“) im hohen Energiebereich – gleichsam ein Flackern des Gammalichts – beobachtet. Diese waren in mehrfacher Hinsicht für die Astrophysiker rätselhaft:

Ihre rasche Variation innerhalb von Stunden schränkt den Ursprung auf ein sehr kleines Gebiet ein, etwa von der Größe unseres Sonnensystems (Lichtstunden), da sich keine Störung schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Zudem wurde Gammalicht bei Energien beobachtet, die bis zu viermal über denen liegen, die nach bisherigem Verständnis im Elektron-Positron-Plasma des Pulsarwinds erreicht werden.

John Kirk und Gwenael Giacinti vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik haben nun mit einem neuen theoretischen Modell einen Mechanismus gefunden, der das beobachtete Spektrum der Gamma-Flares und ihre typische Zeitdauer erklärt. Hierzu nahmen die Forscher an, dass der Pulsarwind in seinem Ursprung nicht kontinuierlich gespeist wird, sondern Fluktuationen aufweist.

Diese bilden „Blasen“ im Plasma mit erheblich geringerer Dichte – bis zu einem Faktor von 1 Million. Die Rechnungen zeigen nun, dass auf dem Weg zur Schockfront die wenigen Teilchen durch Induktion insgesamt die gleiche Energiemenge aufnehmen, aber dafür die Energie pro Teilchen entsprechend höher ist.

Die plötzliche Verringerung der Anzahl von Ladungsträgern wirkt so ähnlich, wie bei einem induktiven Stromkreis die Unterbrechung des Stroms eine Spannungsspitze erzeugt. Dieser Induktionseffekt ist für die bekannten Funken beim Öffnen des Schalters für einen Elektromagneten verantwortlich (Funkeninduktor) – ein Anwendungsbeispiel sind Zündkerzen für Ottomotoren.

Treffen nun diese hochenergetischen Elektronen und Positronen auf die Schockfront, so werden sie dort magnetisch abgelenkt und geben ihre Energie in Form von Synchrotronstrahlung ab, die dann als hochenergetisches Gammalicht beobachtet wird. Die Skizze illustriert diesen Vorgang: Die Plasmablasen starten in einem relativ kleinen Bereich nahe dem Pulsar und breiten sich in einem Sektor durch den Pulsarwind aus, wobei sie sich proportional zur Entfernung aufblähen.

Der von dem blasenhaltigen Sektor getroffene Bereich der Schockfront (rot hervorgehoben) leuchtet dann im Gammalicht auf. Da die Schockfront gekrümmt ist, liegt der exakt in Richtung Erde weisende Bereich etwas näher als dessen Umgebung. Der Unterschied liegt in der Größenordnung von Lichtstunden, was zur beobachteten Zeitstruktur der Gammastrahlung passt. Auch die Form des Spektrums wird durch die neuen Rechnungen gut wiedergegeben.

Das neue Modell sagt auch weitere Eigenschaften der Strahlung voraus, z. B. die Polarisation, also die Schwingungsrichtung des Gammalichts, welche in naher Zukunft gemessen werden könnten. Es legt zudem nahe, dass ähnliche Gamma-Flares auch in anderen Pulsarwind-Nebeln auftreten.

Originalveröffentlichung:
Inductive spikes in the Crab Nebula — a theory of gamma-ray flares
John G. Kirk and Gwenael Giacinti
Physical Review Letters 119, 211101 (2017)

Kontakt:
Apl. Prof. Dr. John Kirk
Tel.: +49 6221-516-482
E-Mail: john.kirk@mpi-hd.mpg.de

Weitere Informationen:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.211101 Originalveröffentlichung
https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/crab-flare.html Video zu den „Superflares“ (englisch, NASA)

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars
26.04.2018 | Universität Bern

nachricht Belle II misst die ersten Teilchenkollisionen
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Physik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz »Encoding Cultures. Leben mit intelligenten Maschinen« | 27. & 28.04.2018 ZKM | Karlsruhe

26.04.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltrekord an der Uni Paderborn: Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

26.04.2018 | Informationstechnologie

Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars

26.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics