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Milchstraße: Galaktischer Röntgenhintergrund - die Auflösung

Die Fortschritte der Röntgenastronomie in den 1970er Jahren stellten die Forscher vor eine unbequeme Frage: Was produziert die diffuse Röntgenstrahlung der Milchstraße? Mit einem Weltraumobservatorium, das bald sein zehnjähriges Dienstjubiläum feiert, konnte der richtigen Antwort endlich die letzten Zweifel genommen werden.
Galaktischer Röntgenhintergrund
Stellen Sie sich vor, Sie stehen irgendwo auf dem Land bei klarem Himmel und ohne störendes Licht im Freien und richten den Blick nach oben. Was Sie dann im Idealfall erblicken, ist ein diffuses Band am Himmel: die Milchstraße. Könnten Sie anhand dieser Beobachtung alleine klären, was der Ursprung dieses schwachen Glimmens ist? Nein. Was Ihnen dazu fehlt, ist ein Teleskop. Schon Galileo Galilei konnte mit seinem Instrument einzelne Sterne in dem Streifen ausmachen, und mit größer werdenden Fernrohren verfeinerte sich auch die Auflösung zusehends.

Die Röntgenastronomen standen vor einer ähnlichen Situation. Allerdings förderte die ersten Generationen ihrer Instrumente überhaupt erst einmal die diffuse Strahlung der Milchstraße zutage. Einzig ein Charakteristikum zeichnete sich früh ab: Die Helligkeitsverteilung dieser Emission folgt recht genau derjenigen der Sterne. So ergibt sich eine scharfkantige Silhouette, nach der das Phänomen seine Fachbezeichnung erhielt: Galactic Ridge X-ray Emission, kurz GRXE. Von was diese Strahlung jedoch hervorgerufen wird, konnten "Uhuru", "Einstein" und Co nicht klären.

Der galaktische Röntgenhintergrund | Die Konturlinien geben die vom Rossi-XTE-Satelliten gemessene Röntgenhelligkeit wieder. Subtrahiert man die diskreten Vordergrundquellen, stimmt der verbleibende galaktische Röntgenhintergrund sehr genau mit der von COBE im Infraroten ermittelten Intensität der Sterne (Farbverlauf) überein.
Ein ähnliches Röntgenleuchten kennen die Astronomen von fernen Galaxienhaufen. Hier stammt es von vielen Millionen Grad heißem ionisierten Gas – Plasma –, das alleine auf Grund seiner Temperatur in diesem energiereichen Bereich des Spektrums strahlt. Doch die Milchstraße ist für dieses Szenario nicht massereich genug, der Gasdruck würde unweigerlich dazu führen, dass das Plasma mit Überschallgeschwindigkeit in den freien Weltraum entweicht. Dort wird es jedoch nicht beobachtet.

Liegt es also, wie beim optischen Erscheinungsbild der Milchstraße, nur an fehlender Auflösung? Geht die Strahlung von zahllosen Einzelquellen aus? Der Verdacht ist nicht von der Hand zu weisen. Denn auch Sterne wie unsere Sonne emittieren Röntgenlicht, das aus der heißen Korona stammt. In Doppelsternen bildet sich beim Überströmen des jüngeren Partners auf einen Weißen Zwerg ein Röntgen-Hotspot in dessen Akkretionsscheibe. Fließt Materie gar auf einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch, erreicht die Akkretionsscheibe selbst an ihrem inneren Rand so hohe Temperaturen, dass sie energiereiche Strahlung abgibt.

Ein Team um Mikhail Revnivtsev vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching verfolgt diesen Ansatz schon seit Längerem. Bereits 2006 konnten die Wissenschaftler anhand der über zehn Jahre lang vom Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) gesammelten Daten den Verdacht erhärten, dass ein Großteil des Röntgenhintergrunds auf Doppelsterne mit heißen Zwergen zurückgeht. Da diese jedoch ansonsten eine eher geringe Leuchtkraft aufweisen, wurde ihre Anzahl in der Milchstraße wohl bisher hundertfach unterschätzt. Eine Analyse von Daten des Hochenergie-Satelliten Integral aus vier Jahren konnte dieser Vermutung wenig später weitere Nahrung geben.

Schärfstes Röntgenbild der Milchstraße | Diese Infrarotaufnahme des Weltraumteleskops Spitzer zeigt die Region südlich des galaktischen Zentrums (oberer Bildrand, Mitte). Hier liegt das Feld (Quadrat), das mit Chandra beobachtet wurde, um die Natur des galaktischen Röntgenhintergrunds zu klären.
Mit ihrer neuesten Studie scheint auch der letzte verbliebene Zweifel endgültig ausgeräumt. Mit der hohen Ortsauflösung des Chandra X-ray Observatory gelang es den Astrophysikern, in einem ausgewählten Bereich nahe dem galaktischen Zentrum in zusammen genommen zwölf Beobachtungstagen das diffuse Leuchten in einzelne Quellen aufzulösen. Bei dieser "Belichtungszeit" konnten sie 473 verhältnismäßig schwache Strahler mit ausreichender Sicherheit identifizieren, diese tragen rund vier Fünftel zur gesamten Röntgenhelligkeit bei.

Das Spektrum belegt: Hierbei handelt es sich tatsächlich um Doppelsterne mit Weißen Zwergen sowie Sonnen mit einer aktiven Korona. Lägen sie näher bei der Erde, wären sie längst als einzelne Objekte in Erscheinung getreten. Da sie aber mehr als 20 000 Lichtjahre von uns entfernt sind, verschwimmt ihre Emission zu dem diffusen Glimmen, das den Wissenschaftlern so lange ein Rätsel war.

"Der weitere Nutzen dieser Ergebnisse ist, dass wir nun Schwankungen im Röntgenhintergrund verwenden können, um die Verteilung der beteiligten Sterne in der Milchstraße zu untersuchen", schreiben Revnivtsev und seine Kollegen. Denn anders als bei Röntgenstrahlen ist die Galaxis bei sichtbarem Licht weitest gehend undurchsichtig und erlaubt derartige Analysen nicht. "Darüber hinaus ist nun ebenfalls klar", schließen die Autoren, "dass auch bei anderen Galaxien die diffuse Röntgenemission zu einem gewissen, wenn nicht sogar überwiegenden Teil von akkretierenden Weißen Zwergen und Sternen mit aktiver Korona dominiert wird."

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  • Quellen
Revnivtsev, M. et al.: Discrete sources as the origin of the Galactic X-ray ridge emission. In: Nature 458, S. 1142–1144, 2009.

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