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Gamma-Astronomie: Erstmals kosmisches Magnetfeld nachgewiesen

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Anhand von Hochenergiespektren, die mit den HESS-Teleskopen und dem Gammastrahlensatelliten Fermi gewonnen wurden, grenzten Forscher die mögliche Intensität des kosmischen Magnetfelds genauer ein. Gängigen Annahmen zufolge erstreckt es sich durch die riesige Leere zwischen Galaxienhaufen und bildet die Saat für die stärkeren Felder der Welteninseln und deren Ansammlungen.

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Kern eines Blazars | Im Kern aktiver Galaxien spiralt Materie in Form einer Akkretionsscheibe auf ein supermassereiches Schwarzes Loch zu. Im Falle von Blazaren ist einer der dort entstehenden lichtschnellen Materiestrahlen – der Jets – zufällig genau auf die Erde gerichtet.
Um diese Hypothese zu überprüfen, analysierten Andrii Neronov und Ievgen Vovk vom Integral Science Data Centre der Université de Genève Beobachtungen von vier aktiven Galaxien im fernen Kosmos mit dem Fermi Gamma-ray Space Telescope und dem High Energy Stereoscopic System (HESS) in Namibia. Damit konnten sie die Emission dieser so genannten Blazare über den gesamten Hochenergiebereich über fünf Dekaden von einigen Zehntel Gigaelektronvolt (GeV) bis zu Dutzenden Teraelektronvolt (TeV) überblicken.

Elektromagnetische Wellen dieser Energie – Gammastrahlen – können sich im All nicht völlig ungehindert ausbreiten. Sie verlassen zwar den Galaxienhaufen, in dem der Blazar zu Hause ist, stoßen aber nach durchschnittlich einer Viertelmilliarde Lichtjahre langen Reise durch die Weiten des Alls mit anderen Lichtteilchen zusammen. Dabei entstehen Elektron-Positron-Paare, diese Elementarteilchen stoßen schließlich mit Photonen der Kosmischen Hintergrundstrahlung zusammen und übertragen auf sie so viel Energie, dass diese zu GeV-Gammaquanten werden.

Davor sind die geladenen Partikel jedoch eine Weile im Raum zwischen den Galaxienhaufen unterwegs. Ist dort ein Magnetfeld ausreichender Stärke präsent, lenkt es die Elektronen und deren Antiteilchen von ihrer ursprünglichen Bahn ab und die "recycelte" Gammastrahlung erreicht die Erde, besser gesagt, das Fermi-Observatorium in der Umlaufbahn. Der Grad der Ablenkung hängt dabei von der Energie ab – langsamere Elektronen werden mehr beeinflusst als schnelle.

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Hess-Teleskop in Namibia | Nahe dem Gamsberg in Namibia sind die vier Teleskope des Hess-Projekts beheimatet. Der Name erinnert zum einen an Victor Hess, den Pionier der Erforschung kosmischer Strahlen, zum anderen steht er für High Energy Stereoscopic System. Denn mit den gemeinsamen Daten der vier Teleskope lassen sich die jeweiligen Richtungen, aus denen die Teilchen kommen, sehr genau bestimmen.
Auf der anderen Seite genügt schon ein recht schwaches Feld, um diejenigen sekundären GeV-Photonen von ihrer Bahn abzubringen, auf der sie die Erde auf geradem Wege erreichen würden. Den Spektren der vier Blazare konnten die beiden Astrophysiker somit entnehmen, dass die magnetische Flussdichte im freien Weltraum mindestens 3 mal 10 -20 Tesla betragen muss, das ist etwa ein Zehnmilliardstel des Werts, den die Felder innerhalb von Galaxien aufweisen.

Dies ist zwar schwach, jedoch genug um zu belegen, dass das Magnetfeld nicht nur durch Prozesse innerhalb der Galaxien, sondern überall im frühen Kosmos entstanden sein muss. Diese so genannte Magnetogenese könnte zu verschiedenen Zeitpunkten stattgefunden haben, entweder in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall oder als das Universum für Licht durchsichtig wurde, rund 400 000 Jahre danach. Das neue Ergebnis reduziert somit die Unsicherheiten bei den Größen, die in die theoretischen Modelle eingehen, beträchtlich. (dre)
14. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 14. KW 2010

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  • Quellen
Neronov, A., Vovk, I.: Evidence for Strong Extragalactic Magnetic Fields from Fermi Observations of TeV Blazars. In: Science 328, S. 73–75, 2010.

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