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Kosmologie: Licht aus unzähligen Leuchten

Rund eine Million Doppelsterne, in denen jeweils ein Weißer Zwerg von seinem Begleitstern Gas absaugt, sowie Hunderte von Millionen gewöhnlicher Sterne mit aktiven Gashüllen erzeugen das Röntgenleuchten der Milchstraße. Demnach wäre diese Strahlung nicht - wie lange vermutet - diffus, sondern stammte von Hunderten von Millionen einzelner Quellen.
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Vor 400 Jahren vermutete Galileo Galilei, das schwache Leuchten der Milchstraße sei auf die unzählige Sterne zurückzuführen. Doch der Ursprung dieses so genannten galaktischen Röntgenhintergrunds blieb lange rätselhaft. So konnten frühere Beobachtungen nicht genügend Röntgenquellen finden, um das Röntgenleuchten der Milchstraße zu erklären.

Dies zog theoretische Probleme nach sich: Wenn die Quelle heißes, diffuses Gas wäre, dann würde dieses Gas irgendwann "aufsteigen" und aus dem Schwerkraftkäfig der Milchstraße entweichen. Außerdem müsste dieses heiße Gas von Millionen von vergangenen Sternexplosionen, den Supernovae, stammen, was bedeuten würde, dass unsere Schätzungen für die Zahl entstehender und sterbender Sterne völlig falsch wären. "Die Strahlung von einzelnen Quellen, die mit Röntgenteleskopen ausgemacht werden konnten, schien nicht mehr als dreißig Prozent des Röntgenleuchtens zu erklären", sagt Jean Swank vom Goddard Space Flight Center der Nasa in Greenbelt. "Viele Forscher glaubten daher, dass der Löwenanteil der Strahlung diffuser Natur ist, etwa von heißem Gas zwischen den Sternen stammt."

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Milchstraße im Röntgenlicht und Infrarot | Die perfekte Übereinstimmung des von Rossi XTE gemessenen Röntgenbildes (Konturlinien) und des vom Cobe-Satelliten (Cosmic Background Explorer) aufgenommenen Bildes der Milchstraße im nahen Infrarot (Farbe) bedeutet, dass die Röntgenstrahlung die Verteilung der Sterne abbildet und dass der galaktische Röntgenhintergrund von einer sehr großen Zahl von einzelnen schwachen Quellen stammt.
Nun aber machen Daten der fast zehnjährigen Messungen mit dem Rossi Explorer, welche die genaueste Karte unserer Milchstraße im Röntgenlicht hervorgebracht haben, eine andere Erklärung wahrscheinlicher: Das Team von Wissenschaftlern kam zu dem Schluss, dass es in unserer Milchstraße tatsächlich von Sternen mit Röntgenemission nur so wimmelt. Diese seien größtenteils aber nicht sehr hell, weshalb ihre Zahl früher um das Hundertfache unterschätzt worden war.

"Vom Flugzeug aus kann man das diffuse Leuchten einer nächtlichen Stadt sehen", erklärt Mikhail Revnivtsev vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching. "Aber zu sagen, eine Stadt erzeugt Licht, ist nicht genug. Nur beim Näherkommen kann man die einzelnen Quellen erkennen, von denen die Strahlung stammt, die Lichter der Häuser, Straßenlampen, Autos. In diesem Sinne haben wir jetzt die einzelnen Objekte identifiziert, die zum Röntgenleuchten der Milchstraße beitragen. Unser Ergebnis wird viele Wissenschaftler überraschen."

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Breitbandverteilung | Breitband-Verteilung – über rund 13 Größenordnungen in der Leuchtkraft – der differenziellen Luminosität von galaktischen Röntgenquellen pro Einheit der Sternmasse bei Energien zwischen 2 und 10 keV. Verschiedene hauptsächlich beitragende Quellen sind markiert: aktive Doppelsterne (ABs), kataklysmische Variable (CVs) und Röntgendoppelsterne mit einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch (LMXBs).
Verantwortlich für das Leuchten sind dabei nicht die üblichen Verdächtigen für die Herkunft von Röntgenstrahlung, nämlich Schwarze Löcher und Neutronensterne, sondern so genannte kataklysmische Variable [1,2]. Das sind Doppelsternsysteme, die aus einem recht gewöhnlichen Stern und einem Weißen Zwerg bestehen, der als Überrest eines Sterns wie der Sonne zurückbleibt, wenn der nukleare Brennstoff im Innern aufgebraucht ist. Für sich allein leuchtet ein Weißer Zwerg nur schwach. In einem Doppelsternsystem jedoch kann er Gas von seinem Begleitstern abziehen und sich dabei in einem Vorgang stark aufheizen, den man Akkretion nennt. Das akkretierte Gas wird dann so heiß, dass es intensive Röntgenstrahlung abgibt.

Bei etwas geringeren Röntgenenergien stammt das galaktische Glühen zu einem Drittel von kataklysmischen Variablen und zwei Dritteln von aktiven Vorgängen in der heißen Gashülle, der Korona, von Sternen. In den meisten Fällen findet die Korona-Aktivität bei Sternen in Doppelsystemen statt, in denen ein naher Begleitstern die äußeren Schalen des Sterns stark "aufrührt". Dies führt zu Ausbrüchen ähnlich den solaren Flares, bei denen Röntgenstrahlung frei wird. Die Wissenschaftlergruppe schätzt, dass es rund eine Million kataklysmischen Variable und nahezu eine Milliarde aktive Sterne in unserer Milchstraße gibt. Beide Zahlen bedeuten, dass frühere Schätzungen deutlich zu niedrig lagen.

"Wie eine medizinische Röntgenaufnahme enthüllt die Karte des galaktischen Röntgenhintergrunds Feinheiten der Struktur unserer Heimatgalaxie", sagt Revnivtsev. "Wir können durch unsere gesamte Milchstraße hindurch sehen und einzelne Röntgenquellen zählen. Dies ist von großer Bedeutung für die Astronomen, welche die Entwicklung von Sternen mit Computern berechnen."

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