Direkt zum Inhalt

Mikroquasare: Klein, aber mit viel Schmackes

Wenn die richtigen Zutaten zusammen kommen, können kompakte Doppelsterne zu Mikroquasaren werden und - wie ihre supermassereichen kosmischen Cousins - gebündelte Materiestrahlen ins All schleudern. Allerdings mit weniger Wucht und bei niedrigeren Energien. Zumindest dieser Punkt gilt nach neuesten Ergebnissen aber nur mit Einschränkungen.
Mikroquasar GRO J1655-40Laden...
Die Bildung von schnellen, kollimierten Materiestrahlen, die von ihrem Erzeuger in entgegen gesetzte Richtung davon geschleudert werden, sind im Weltraum vielfach anzutreffen: Junge Sonnen – so genannte T-Tauri-Sterne – geben solche Jets ab, aber auch ferne Galaxien aus ihren aktiven Kernen. Letztere sind die am weitesten entfernten Einzelobjekte, die im Kosmos dauerhaft leuchtend von den Astronomen ausgemacht werden können: Quasare.

Mikroquasar & QuasarLaden...
Mikroquasar & Quasar | Die kompakten Motoren von Mikroquasaren und Quasaren sind Neutronensterne und Schwarze Löcher. Ihren Treibstoff erhalten sie von einem nahen Begleitstern oder aus dem inneren Bereich der umgebenden Galaxie, dessen Zentrum die "Quasar-Maschine" darstellt.
Ihre enorme Leuchtkraft stellte die Forscher lange Zeit vor ein Rätsel, denn kein bekannter Prozess konnte so viel Energie erzeugen. Die einzig mögliche Lösung: supermassereiche Schwarze Löcher, die Gas und Staub aus ihrer Umgebung anziehen und das meiste davon dann fast mit Lichtgeschwindigkeit auf die Erde zu, beziehungsweise von ihr weg katapultieren. Dies stellt gleichzeitig eine der wenigen Gelegenheiten dar, Schwarze Löcher – wenn auch indirekt – ausfindig zu machen.

Aus der Theorie der Sternentwicklung und der Supernova-Explosionen ist aber auch bekannt, dass massereiche Sonnen am Ende ihres Lebens ein "stellares" Schwarzes Loch zurück lassen. Wenn dieses nun genug Materie vorfände – würde auch dieses Jets hervorbringen können? Und was ist mit Neutronensternen? Diese kommen ebenfalls als "zentrale Maschine" in Frage.

Insbesondere nach der Inbetriebnahme der Very-Large-Array-Radioteleskopanlage in New Mexico (VLA) gingen den Astronomen erste Mikroquasare ins Netz. Besonders im Radio- und Röntgenbereich, wo der Staub der Milchstraßenscheibe keine Sichtbehinderung darstellt, wurden sie ausgiebig studiert. Auch die frühen Gamma-Satelliten wurden auf die bekannten Ziele gerichtet. Der Röntgendoppelstern Cygnus X-3 zeigte sich zwar kurzzeitig im Visier des amerikanischen SAS-2 Anfang der 1970er Jahre, blieb jedoch unsichtbar für spätere, empfindlichere Weltraum-Observatorien. Bis heute.

Innerhalb einer Woche veröffentlichten gleich zwei internationale Teams die Entdeckung mit verschiedenen Instrumenten.
"Gammastrahlen sind ein hervorragendes Instrument, um die extremen physikalischen Bedingungen in so einem System zu untersuchen"
(Robin Corbet)
Ein überwiegend italienisches Team um Marco Tavani vom Istituto Nazionale di Astrofisica und der Università di Roma Tor Vergata führte seine Beobachtungen mit dem Gammasatelliten Agile durch, dem Astro-rivelatore gamma a immagini leggero, der im April 2007 von einer indischen Trägerrakete auf seine Umlaufbahn gebracht worden war [1]. Ein gutes Jahr später startete die NASA das wesentlich größere Fermi Gamma-ray Space Telescope und auch diesen richteten die an Fermis LAT-Instrument beteiligten Forscher als eines der ersten Ziele auf Cygnus X-3 aus. Immer und immer wieder.

Cygnus X-3 im GammabereichLaden...
Cygnus X-3 im Gammabereich | Der Ausschnitt eines Bereichs entlang des Milchstraßen-Äquators zeigt neben der diffusen galaktischen Gammastrahlung zwei helle Pulsare rechts neben dem Mikroquasar Cygnus X-3 (Kreis). Innerhalb des Kreises liegt noch ein dritter Pulsar, PSR J2032+4127, dessen Emission lässt sich wegen der unterschiedlichen zeitlichen Charakteristik gut von der des Mikroquasars unterscheiden.
Diese Beharrlichkeit zahlte sich aus. Beide Satelliten erwischten den Mikroquasar bei mehreren Ausbrüchen von Gammastrahlung bei Energien von 100 Megaelektronvolt (MeV) und mehr – rund tausend- bis millionenfach höher, als die Wissenschaftler sonst von ihm gewohnt sind. Wie er das allerdings bewerkstelligt, ist nach wie vor unklar.

"Es ist eine Genugtuung, nach Jahrzehnten der unklaren Datenlage endlich zu wissen – und noch dazu zweifelsfrei –, dass Cygnus X-3 eine Gammaquelle ist," sagt Robin Corbet von der NASA und der University of Maryland in Baltimore einer der Hauptautoren der Fermi-Studie [2]. Zweifel bestehen trotz drei naher Pulsare deshalb nicht, weil Begleitbeobachtungen mit der britischen Radioteleskopanlage AMI, dem Owens Valley Radio Observatory in Kalifornien und dem Röntgensatelliten Swift zeigten: Die Gamma-Ausbrüche erreichen jeweils dann ihr Maximum, wenn Cygnus X-3 im Röntgen schwächer wird, jedoch wenige Tage bevor die Jets im Radiobereich hell werden.

Cygnus X-3 mit Wolf-Rayet-SternLaden...
Cygnus X-3 mit Wolf-Rayet-Stern | Da die zeitliche Auflösung der Messung sehr genau war, konnten die Astronomen bestimmen, dass während eines Ausbruchs die höchste Gammastrahlung entsteht, wenn das kompakte Objekt mit seiner Akkretionsscheibe von uns aus gesehen hinter dem riesigen, blauen Wolf-Rayet-Stern vorbei läuft.
Die Interpretation dieser Zeitunterschiede ist nicht einfach, denn es sind viele unterschiedliche Teilchen- und Strahlungskomponenten im Spiel, die miteinander wechselwirken. Das kompakte Objekt in Cygnus X-3, das sowohl ein Schwarzes Loch von 10 bis 20 Sonnenmassen als auch ein ungewöhnlich stark akkretierender Neutronenstern sein kann, wird in weniger als fünf Stunden von einem massereichen Wolf-Rayet-Stern umkreist. Dieser gibt einen starken Sternwind ab, aber auch viel ultraviolette Strahlung. Die Materie, die von ihm auf seinen vergleichsweise winzigen Begleiter spiralt, leuchtet im Röntgenbereich.

Sicher scheint bislang nur, dass die Radioemission der Jets in einem größeren Abstand von der zentralen Maschine entsteht – daher auch die Zeitverzögerung. Welche Licht-, und Gasteilchen, Elektronen und Protonen wann und wo mit den umher schwirrenden Lichtquanten stoßen und wie sie dabei so viel Energie auf sie übertragen können, um die Photonen bis in den Gammabereich zu kicken, bleibt noch Gegenstand weiterer Untersuchungen.

Die Astrophysiker werden jedenfalls Sorge tragen, dass keiner der künftigen Ausbrüche ihren zahlreichen Instrumenten entgeht. "Die Gammastrahlung in Cygnus X-3 taucht nur sporadisch auf. Wir müssen also auch andere Quellen ständig überwachen, damit uns nichts entgeht," erklärt Corbet. Er schließt: "Cygnus X-3 ist der bislang einzige Mikroquasar, von dem Gammastrahlung nachgewiesen wurde. Wir wollen herausfinden, ob er eine Ausnahme darstellt und wenn ja, warum."
48. KW 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 48. KW 2009

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Quellen
[1] Tavani, M. et al.: Extreme particle acceleration in the microquasar Cygnus X-3. In: Nature 10.1038/nature08578, 2009.
[2] The Fermi LAT Collaboration: Modulated High-Energy Gamma-Ray Emission from the Microquasar Cygnus X-3. In: Science 10.1126/science.1182174, 2009.

Partnervideos