Bereits mit einem Fernglas ist der Krebsnebel als ausgedehntes Objekt erkennbar, und dementsprechend lassen sich zum Beispiel mit optischen oder Röntgenteleskopen viele seiner Bestandteile detailliert abbilden. „Es zeigt sich, dass die Ausdehnung des Krebsnebels stark vom betrachteten Energiebereich abhängt“, erklärt David Berge vom DESY in Zeuthen, Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration. „Daraus können Rückschlüsse auf astrophysikalische Prozesse gezogen werden.“
Seit dem ersten Nachweis von hochenergetischer Gammastrahlung 1989 mit Teleskopen auf der Erde konnte der Krebsnebel bis heute nicht von einer Punktquelle unterschieden werden. Grund dafür war die vergleichsweise schlechte Auflösung. Im Fachjournal Nature Astronomy präsentieren die Wissenschaftler*innen der in Namibia gelegenen H.E.S.S.-Teleskope nun erstmals eine Messung der Ausdehnung des Krebsnebels in hochenergetischer Gammastrahlung. Dieses Ergebnis ist das Resultat modernster Analyse- und Simulationstechniken, welche eine in der Gammastrahlungsastronomie bisher unerreichte Präzision ermöglichen.
Neuartige Simulationsumgebung
Die Wissenschaftler*innen messen mit den H.E.S.S.-Teleskopen das Cherenkov-Licht aus Teilchenschauern, um so die Energie und Einfallsrichtung der zugehörigen Gammastrahlen zu rekonstruieren. „Die Genauigkeit der Richtungsrekonstruktion hängt erheblich von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel den Beobachtungsbedingungen ab“, erklärt Markus Holler von der Universität Innsbruck. „Für die Messung der Ausdehnung einer Quelle sind deshalb verlässliche Simulationen notwendig.“
Für die vorliegende Messung verwendeten die Wissenschaftler*innen erstmals eine neuartige Simulationsumgebung, welche die Bedingungen bei der Beobachtung des Krebsnebels auf einem bisher unerreichten Detailgrad mitberücksichtigt. Die dabei gewonnene Genauigkeit in der Simulation der Daten spiegelt sich eindrücklich im ermittelten Resultat wider. Die gemessene Ausdehnung des Krebsnebels ist etwa zweieinhalb Mal kleiner als die mittlere Richtungsungenauigkeit pro Gammateilchen.
Übereinstimmung mit theoretischen Modellen
Die elektromagnetische Strahlung des Krebsnebels wird überwiegend von hochenergetischen Elektronen sowie deren Antiteilchen, den Positronen, ausgesendet. Dafür sind zwei unabhängige Prozesse verantwortlich: Die Strahlung vom Radio- bis zum Röntgenbereich entsteht durch die Ablenkung der Teilchen im internen Magnetfeld des Krebsnebels. Die höherenergetische Gammastrahlung dagegen ist das Resultat der Streuung der Elektronen und Positronen an Lichtteilchen mit niedrigerer Energie. „Die Beobachtung des Krebsnebels in Gammastrahlung ist somit unabhängig von entsprechenden Messungen bei niedrigeren Energien, auch wenn die dafür verantwortlichen Teilchen die gleichen sind“, sagt Theoretiker und H.E.S.S.-Wissenschaftler Dmitry Khangulyan vom Department of Physics der Rikkyo University in Tokio.
Ein Vergleich der Ausdehnung des Krebsnebels bei verschiedenen Energien zeigt eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Modellen. Dabei weist die Gammastrahlung des Nebels eine stärkere Ausdehnung auf als im Röntgenlicht, aber eine geringere als im ultravioletten Licht. Der Hauptgrund dafür sind die entsprechenden Energien der Elektronen und Positronen des Nebels. Mit steigender Energie sind die Teilchen stärker zum Zentrum hin konzentriert. Da die für die Gammastrahlung verantwortlichen Teilchenenergien zwischen denen der beiden anderen genannten Bereiche liegt, folgt Entsprechendes für die Ausdehnung des Krebsnebels in Gammastrahlung. „Die Bestätigung dieser Erwartung durch die Ergebnisse von H.E.S.S. liefert ein schönes Beispiel für die Bedeutung von Theorie und Experiment“, freut sich Astroteilchenphysiker Dan Parsons vom MPIK.
Originalpublikation:
Resolving the Crab pulsar wind nebula at teraelectronvolt energies. H.E.S.S. Collaboration (H. Abdalla et al.). Nature Astronomy, 28.10.2019, DOI: 10.1038/s41550-019-0910-0
High Energy Stereoscopic System H.E.S.S.
