1LHAASO J1852+0050u: GeV-100TeV Gamma-ray emission Powered by Star-forming Region?

Hoch oben über der Erde, in der dünnen Luft des tibetischen Plateaus, wartet eine gewaltige Anordnung von Sensoren auf etwas Außergewöhnliches. Diese Sensoren sind Teil des Large High Altitude Air Shower Observatory, bekannt als LHAASO, und sie sind darauf ausgelegt, die schwachen, flüchtigen Signaturen der energiereichsten Teilchen im Universum einzufangen. Diese Teilchen, sogenannte kosmische Strahlen, sind Atomkerne, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen. Seit fast einem Jahrhundert fragen sich Wissenschaftler, woher diese Teilchen ihre unglaubliche Geschwindigkeit beziehen. Während einige bekanntlich aus den gewaltsamen Explosionen sterbender Sterne stammen, sind die leistungsstärksten unter ihnen, die Energien erreichen, die eine Million Mal höher sind als die, die unsere leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger erzeugen können, ein Rätsel geblieben. Das Finden der Quelle dieser „PeVatrons“ – Objekte, die in der Lage sind, Teilchen auf solch extreme Energien zu beschleunigen – ist eines der großen Ziele der modernen Astronomie, da es endlich die Motoren offenbaren würde, die das hochenergetische Universum antreiben.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie wandten Forscher ihre Aufmerksamkeit auf ein bestimmtes Stück Himmel im Sternbild Aquila, wo eine mysteriöse Quelle hochenergetischer Gammastrahlen entdeckt worden war. Diese Quelle, katalogisiert als 1LHAASO J1s852+0050u, ist ein riesiges, diffuses Leuchten von Strahlung, das bei Energien von über einhundert Billionen Elektronenvolt nachgewiesen wurde. Das Rätsel bestand darin, zu identifizieren, was dieses Leuchten erzeugte. Die Region ist überfüllt mit bekannten astronomischen Objekten, darunter die Überreste von zwei explodierten Sternen und ein schnell rotierender Neutronenstern, bekannt als Pulsar. Das Team, unter der Leitung von Forschern der LHAASO-Kollaboration, setzte sich zum Ziel zu bestimmen, ob eines dieser vertrauten Objekte der Übeltäter war oder ob etwas Exotischeres am Werk war.

Um das Rätsel zu lösen, kombinierten die Wissenschaftler Daten aus mehreren Teleskopen. Sie untersuchten vier Jahre Beobachtungen von LHAASO neu, die eine detaillierte Karte der hochenergetischen Gammastrahlen lieferten, und kombinierten diese mit sechzehn Jahren an Daten des Fermi-LAT-Satelliten, der niederenergetische Gammastrahlen beobachtet. Sie betrachteten auch das unsichtbare Molekulargas in der Region mithilfe von Radioteleskopen, die die Anwesenheit dichter Wolken aus Gas und Staub aufzeigen können, in denen Sterne geboren werden. Durch das Zusammenfügen dieser verschiedenen Ansichten konnten die Forscher das schwache Signal der Hauptquelle vom Blendwerk ihrer Nachbarn trennen. Sie fanden heraus, dass das Gammastrahlungsleuchten kein einzelner Punkt ist, sondern eine ausgedehnte Region, die sich mit einer geschäftigen Geburtsstätte neuer Sterne überschneidet.

Der erste Verdächtige, den das Team in Betracht zog, war ein mittelalterlicher Pulsar, ein dichter, rotierender Stern, der seit etwa zweihunderttausend Jahren rotiert. Pulsare sind dafür bekannt, Wolken hochenergetischer Teilchen zu erzeugen, die Gammastrahlen aussenden können. Als die Forscher jedoch Simulationen durchführten, um zu prüfen, ob dieser spezifische Pulsar die Menge an Energie erzeugen könnte, die beobachtet wurde, gingen die Zahlen jedoch nicht auf. Der Pulsar besitzt schlichtweg nicht genug Energie, um das helle, hochenergetische Leuchten zu erklären, das von LHAASO gesehen wurde. Das Team untersuchte auch die nahegelegenen Überreste explodierter Sterne, aber die Entfernungen und die spezifischen Arten von Gas in der Region schlossen sie als primäre Quelle aus. Die Beweise deuteten weg von diesen gewaltsamen, explosiven Ursprüngen.

Stattdessen deuteten die Daten auf einen eher kontinuierlichen, aber ebenso gewaltsamen Prozess hin: die Geburt massiver Sterne. Die Gammastrahlungsquelle befindet sich direkt über einer dichten Wolke aus Molekulargas, dem Rohmaterial für die Sternentstehung. Innerhalb dieser Wolke liegt eine spezifische Region namens G34.26+0.15, ein Ort, an dem derzeit massive Sterne geboren werden. Die Forscher fanden heraus, dass die niederenergetischen Gammastrahlen, die vom Fermi-Satelliten detektiert wurden, mit dem Standort junger, entstehender Sterne übereinstimmen, während die hochenergetischsten Gammastrahlen, die von LHAASO detektiert wurden, mit der Präsenz massiver, voll entwickelter Sterne im selben Cluster übereinstimmen.

Die Wissenschaftler schlagen eine zweiteilige Erklärung für die Strahlung vor. Sie vermuten, dass die niederenergetischen Gammastrahlen durch Protonen erzeugt werden, die durch die kraftvollen Jets und Ausflüsse junger, entstehender Sterne beschleunigt werden. Diese jungen Sterne sammeln noch immer Masse an, und ihre energetische Aktivität wirbelt das umliegende Gas auf, wodurch Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Die hochenergetischsten Gammastrahlen, die bis zu einhundert Billionen Elektronenvolt erreichen, werden wahrscheinlich durch noch stärkere Winde der massiven, erwachsenen Sterne im selben Cluster erzeugt. Diese massiven Sterne blasen Material mit enormen Geschwindigkeiten in den Weltraum und erzeugen dabei Schockwellen, die Teilchen auf die extremen Energien beschleunigen können, die für die beobachtete Strahlung erforderlich sind.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese Sternentstehungsregion wahrscheinlich ein „PeVatron“ ist – ein natürlicher Teilchenbeschleuniger, der in der Lage ist, kosmische Strahlen auf Energien zu heben, die zuvor nur den gewaltsamsten Explosionen zugeschrieben wurden. Die Forscher schätzen, dass der Cluster zwischen zwanzig und zweihundert massive Sterne enthält, deren kombinierte Winde die notwendige Energie liefern, um diese hochenergetische Emission aufrechtzuerhalten. Obwohl sie die Anwesenheit anderer verborgener, unsichtbarer Pulsare in der Region nicht vollständig ausschließen können, favorisieren die Beweise die Sternentstehungsregion stark als den dominierenden Motor. Diese Entdeckung fügt unserem Verständnis der kosmischen Strahlen ein neues Kapitel hinzu und legt nahe, dass die chaotischen, energetischen Geburtsstätten der Sterne ebenso in der Lage sind, die energiereichsten Teilchen des Universums zu erzeugen, wie die katastrophalen Tode von Sternen.