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Sternenexplosion: Beschleunigung am theoretischen Limit

Thermonukleare Explosionen auf der Oberfläche toter Sterne pumpen Teilchen mit immensen Energien voll. Der Mechanismus erklärt, warum manche Novae Gammastrahlen erzeugen - und woher womöglich die energiereichsten kosmischen Strahlen kommen.
Zwei gigantische farbenfrohe Gasblasen erstrecken sich ins Weltall.

Der Weiße Zwerg RS-Ophiuchi erweist sich als einer der effizientesten Teilchenbeschleuniger im Universum. Wie ein Team um Alison Mitchell von der Universität Erlangen-Nürnberg ermittelte, beschleunigte eine Nova des Sternenrests Protonen und schwerere Atomkerne bis auf ihre höchsten theoretisch möglichen Energien. Von der Nova ausgesendete hochenergetische Strahlung zeige zusammen mit Computermodellen, dass die von der Explosion beschleunigten Teilchen mehrere hundertmal höhere Energien hatten als bei zuvor beobachteten Novae, berichtet das Team in »Science«. Das Resultat erhellt, warum manche Novae Gammastrahlung aussenden, und deutet darauf hin, dass solche wiederkehrenden Novae eine wichtige Quelle hochenergetischer kosmischer Strahlung sind.

RS-Ophiuchi ist Teil eines Doppelsternsystems, dessen Komponenten sich in einer Entfernung von etwa jener zwischen Erde und Sonne umkreisen. Der sehr kompakte Weiße Zwerg zieht kontinuierlich Materie von seinem Partner ab, die sich an seiner Oberfläche sammelt. Überschreitet diese Masse eine kritische Grenze, zündet die Kernfusion und verursacht an der Oberfläche des Weißen Zwerges eine thermonukleare Explosion. Seit dem Jahr 1898 fanden insgesamt neun dieser Ausbrüche statt. Die letzte solche Nova beobachteten im August 2021 das Gammastrahlenteleskop High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia und der Satellit Fermi.

Bei Novae entsteht nämlich über einen bisher nur zum Teil geklärten Mechanismus auch hochenergetische Gammastrahlung. Nach Angaben des H.E.S.S.-Nova-Programms, dessen Leiterin Mitchell ist, beobachtete die Arbeitsgruppe bei der Nova im Verlauf eines Monats aufschlussreiche Veränderungen der Lichtkurven. So sinkt die Intensität der Strahlung mit der Zeit, gleichzeitig wird das Spektrum breiter. Die Fachleute interpretieren das als Hinweis auf den Entstehungsmechanismus der von den beiden Teleskopen aufgezeichneten Strahlung: Demnach beschleunigt die Stoßwelle der Explosion Teilchen auf enorme Energien. Die Wucht der Explosion scheint in den ersten beiden Tagen sogar noch zuzunehmen, denn die Intensität der energiereichsten Gammastrahlen steigt in dieser Zeit weiter an, bevor sie abzufallen beginnt.

Die hochenergetische Gammastrahlung entsteht, wenn die extrem beschleunigten Teilchen anschließend auf das Material des vom Partnerstern ausgestoßenen Sternwindes treffen. Computersimulationen der Arbeitsgruppe zeigen, dass die Lichtkurve der Nova zu diesem Mechanismus passt – außerdem legen sie ein oberes Limit der übertragenen Energien fest, an das die gemessene Energie nahezu heranreicht. Nach Ansicht der Arbeitsgruppe deutet die sehr hohe Effizienz des stellaren Beschleunigers darauf hin, dass ein ähnlicher Prozess bei Supernovae abläuft. Diese extrem heftigen Explosionen massereicher Sterne könnten sogar noch energiereichere Teilchen erzeugen und so die die Produktion der höchstenergetischen galaktischen kosmischen Strahlung antreiben.

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