Neue Einblicke in den Maschinenraum von Eta Carinae

Auf welche Weise erzeugt der extrem massereiche und leuchtstarke Doppelstern Eta Carinae Röntgen- und Gammastrahlung? In einer Studie unter Führung des MPIK haben Astrophysiker Daten des Fermi-Gammastrahlensatelliten analysiert und mit verfeinerten Modellrechnungen verglichen. Dabei fanden sie heraus, dass Gamma- und Röntgenstrahlen durch unterschiedliche Vorgänge entstehen. Das Modell kann auch die Variationen während des sehr exzentrischen Umlaufs der Sterne umeinander erklären. Derzeit laufende H.E.S.S.-Beobachtungen sollen weitere Einblicke liefern.

Eta Carinae ist ein etwa 7500 Lichtjahre entfernter heller Doppelstern im südlichen Sternbild Carina. Der Hauptstern wird zur Klasse der leuchtstarken blauen Veränderlichen gezählt und ist mit mindestens 90 Sonnenmassen einer der schwersten Sterne in der Milchstraße. Sein Begleiter hat vermutlich 30 bis 50 Mal so viel Masse wie unsere Sonne und umkreist den Hauptstern auf einer hochgradig exzentrischen elliptischen Bahn in rund 5,5 Jahren in einem mittleren Abstand wie Uranus von der Sonne. Von beiden gehen starke Sternenwinde aus, die miteinander kollidieren – ein einzigartiges kosmisches Teilchenbeschleuniger-Labor.

Allerdings ist Eta Carinae nicht nur ein mit bloßem Auge sichtbares Himmelsobjekt, sondern auch eine bekannte Röntgen- und Gammastrahlungsquelle. Doch auf welche Weise entsteht diese Strahlung und wie wirkt sich die exzentrische Umlaufbahn aus? Diesen Fragen sind nun Wissenschaftler des MPI für Kernphysik zusammen mit Kollegen des DESY nachgegangen. „Dafür haben wir einen umfangreichen Datensatz des Fermi-Gammastrahlen-Satelliten detailliert ausgewertet und frühere Modellrechnungen verfeinert“, erläutert Richard White, Wissenschaftler in der Abteilung von Jim Hinton, und fügt hinzu: „Ganz besonderes Augenmerk legten wir dabei auf die Periastron-Durchgänge, denn während dieser Phasen größter Annäherung beider Sterne bricht die Röntgen-Emission nach einem vorangegangenen Anstieg stark ein.“

Die Daten des Fermi-LAT-Instruments aus 11 Jahren, also 2 vollständigen Umläufen des Doppelsternsystems, zeigen im Gegensatz dazu zwar Intensitäts-Veränderungen, aber keinen vergleichbaren Einbruch der Gammastrahlen-Emission im Periastron. „Dies legt es nahe, dass hier zwei verschiedene Mechanismen am Werk sind“, folgert Doktorand Mischa Breuhaus. In den beiden Schocks der kollidierenden Sternenwinde werden Protonen stark beschleunigt. Ein Vergleich der Modellrechnungen mit den Daten zeigt, dass die spektrale Energieverteilung (Abbildung) der Gammastrahlung im Bereich zwischen 80 Megaelektronvolt und 500 Gigaelektronvolt nur mit der Annahme erklärbar ist, dass die Gammastrahlung beim Zusammenstoß der beschleunigten Protonen mit anderen Teilchen in den Winden entsteht.

Die vom Röntgensatelliten NuSTAR außerhalb des Periastron gefundene harte Röntgenstrahlung zwischen 30 und 50 Kiloelektronvolt muss dagegen auf beschleunigte Elektronen zurückgehen, die Energie an Licht der Sterne abgeben („inverse Compton-Streuung“). Im Periastron ist die Beschleunigung von Elektronen unterdrückt, und die restliche harte Röntgenstrahlung geht wohl auf Sekundärteilchen aus der Wechselwirkung beschleunigter Protonen zurück.

„Die sich stark verändernden Bedingungen während eines Umlaufs machen Eta Carinae zu einem hervorragenden Modellsystem, mit dessen Hilfe sich die Beschleunigungsvorgänge in Supernova-Überresten besser verstehen lassen sollten“, blickt Brian Reville, Leiter der unabhängigen Gruppe Theorie Astrophysikalischer Plasmen, in die Zukunft.

Eine offene Frage ist noch, bis zu welcher maximalen Energie Eta Carinae Gammastrahlen produziert. Hier kommt H.E.S.S., das Gammastrahlen-Observatorium in Namibia, ins Spiel: mit seinem riesigen Teleskop hat es Anschluss an den Energiebereich von Fermi. Während des Periastron-Durchgangs 2014 konnte H.E.S.S. bereits Eta Carinae sehen [HESS]; im aktuellen Periastron-Durchgang laufen wieder Beobachtungen. Da das Teleskop seit Kurzem mit einer neuen leistungsfähigen Kamera ausgestattet ist, erwarten die Astrophysiker aufschlussreiche Ergebnisse.


Originalpublikation:

Gamma-ray and X-ray constraints on non-thermal processes in Eta Carinae, R. White, M. Breuhaus, R. Konno, S. Ohm, B. Reville, and J.A. Hinton, Astronomy & Astrophysics 635, A144 (2020), https://doi.org/10.1051/0004-6361/201937031

Referenz:

[HESS] Detection of very-high-energy gamma-ray emission from the colliding wind binary Eta Car with H.E.S.S., H.E.S.S. Collaboration, Astronomy & Astrophysics 635, A167 (2020), https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936761


Abteilung Hinton

Unabhängige Gruppe Theorie Astrophysikalischer Plasmen


Kontakt

Dr. Richard White
Tel: 06221 516-141
E-Mail: richard.whitempi-hd.mpgde

Mischa Breuhaus
Tel: 06221 516-137
E-Mail: mischa.breuhausmpi-hd.mpgde

Dr. Brian Reville
Tel: 06221 516-589
E-Mail: brian.revillempi-hd.mpgde


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Der Eta Carinae umgebende Homunculus-Nebel besteht aus Gas und Staub, das bei dem großen Ausbruch Mitte des 19. Jahrhunderts ausgeschleudert wurde. Dieses Bild des Hubble- Weltraumteleskops der NASA im sichtbaren und ultravioletten Licht zeigt die expandierenden heißen, rot, weiß und blau leuchtenden Gase. (© NASA, ESA, N. Smith (University of Arizona) and J. Morse (BoldlyGo Institute))

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Spektrale Energieverteilung aus der Analyse des vollständigen Fermi-LAT-Datensatzes von Eta Carinae (schwarze Punkte) zusammen mit dem systematischen Fehler (graue Fläche). Zum Vergleich sind Datenpunkte aus einer früheren Analyse eingezeichnet. Die durchgezogene Linie ist ein Fit der Gammastrahlung unter der Annahme, dass sie beim Zusammenstoß von beschleunigten Protonen mit anderen Teilchen in den dichten Winden entsteht.