Röntgenstrahlen zeigen die gewalttätige Seite des Universums

Astronomen untersuchen Licht aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum, um die Geschichte des Universums zusammenzusetzen. Röntgenastronomie betrachtet hochenergetisches, kurzwelliges Licht – über 40-mal kleiner als die kürzeste Wellenlänge, die unsere Augen wahrnehmen können. Dieses Licht, das von einem auf Millionen Grad erhitzten Gas emittiert wird, bietet einen Einblick in extreme Umgebungen wie Schwarze Löcher, Neutronensterne und kollidierende Galaxien.


Millionen Grad Gas ist im gesamten Universum zu finden. In Röntgen-Doppelsystemen umkreist ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch – der sehr dichte Überrest eines verstorbenen massereichen Sterns – einen anderen Stern und stiehlt seinem Begleiter Gas. Das gestohlene Gas wird in einer Scheibe gefangen, die sich spiralförmig um den stellaren Überrest dreht. Die starke Schwerkraft eines Neutronensterns oder Schwarzen Lochs beschleunigt das spiralförmige Gas auf hohe Geschwindigkeiten, erhitzt das Material in der Scheibe auf extreme Temperaturen und lässt es im Röntgenlicht leuchten.

Jedes Mal, wenn interstellares Gas schnell komprimiert wird, kann es genug erhitzt werden, um Röntgenstrahlen auszusenden. Die Schockfront einer Supernova kann eine Welle von Röntgenstrahlung durch den Weltraum schicken. Röntgenstrahlen durchdringen auch galaktische Haufen – die größten Strukturen im Universum. In einem Galaxienhaufen tanzen Tausende von Galaxien umeinander, angezogen durch ihre gegenseitige Anziehungskraft. Kollisionen zwischen Mitgliedsgalaxien sind ziemlich häufig. Die bei diesen gigantischen Zusammenstößen freigesetzte Energie reicht aus, um das schwache Gas zu erhitzen, das den Haufen durchdringt. Bei der Beobachtung mit Röntgenteleskopen erscheinen galaktische Haufen in ein diffuses Röntgenlicht getaucht. Das Studium der Röntgenemission kann Astronomen viel über die Entwicklung von Galaxien und die Natur der schwer fassbaren „dunklen Materie“ erzählen, die den Haufen zusammenhält.


Röntgenstrahlen von Gas bei einer galaktischen Kollision.

Das Chandra-Röntgenteleskop hat dieses Bild von heißem Gas (grün) im Kern des 2,4 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxienhaufens Abell 520 aufgenommen. Das Millionen-Grad-Gas ist ein Beweis für eine kürzliche massive Kollision innerhalb des Haufens. Bildnachweis: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis) und A. Mahdavi (San Francisco State University)

Das Problem mit kosmischen Röntgenstrahlen ist, dass sie es nie bis zur Erdoberfläche schaffen. Die Atmosphäre unseres Planeten absorbiert einfallende Röntgenstrahlen sehr effektiv. Das sind gute Nachrichten für uns, da eine dauerhafte Exposition gegenüber solch energiereichem Licht tödlich ist. Aber es bedeutet, dass man, wenn man das Röntgenuniversum studieren will, über die Atmosphäre vordringen muss.

Der erste Versuch, außerirdische Röntgenquellen aufzuspüren, erfolgte 1949 mit einem Raketenstart in der Wüste von New Mexico. Detektoren in der Rakete nahmen Röntgenstrahlen der Sonne auf. Nun, die Sonne selbst ist eigentlich ein sehr schwacher Röntgenstrahler. Bei einer relativ kühlen Temperatur von „nur“ 6000 Grad Celsius tritt die meiste Energie als sichtbares Licht aus. Was die Rakete entdeckt hatte, war die Millionen-Grad-Plasmablase, die die Sonne umgibt: ihre Korona. Warum das Gas um die Sonne heißer ist als die Sonne selbst, ist eine seit langem bestehende Frage in der Astrophysik. Es gibt viele Ideen, wie zum Beispiel elektrische Ströme, die durch magnetische Felder erzeugt werden, aber keine ist vollständig zufriedenstellend.

Die Röntgensonne

So sieht die Sonne mit einem Röntgenteleskop aus. Das mit dem Yohkoh-Satelliten aufgenommene Bild zeigt die Korona: das glühende Millionen-Grad-Plasma, das die Sonne umgibt. Bildnachweis: Yohkoh (über Wikipedia)




Weitere Raketen, die in den frühen 1960er Jahren gestartet wurden, stießen auf Röntgenstrahlen, die von weit außerhalb des Sonnensystems kamen. Ein Experiment im Jahr 1962 registrierte Röntgenstrahlen, die von irgendwo im Sternbild Skorpion kamen. Die Quelle, Scorpius X-1 genannt, stellte sich als Neutronenstern heraus, der 9000 Lichtjahre entfernt ist und einen anderen Stern umkreist. Überhitztes Gas, das auf den Neutronenstern fiel, setzte allein in Röntgenstrahlen 60.000 Mal mehr Energie frei als alle Wellenlängen des von der Sonne emittierten Lichts!

Höhenforschungsraketen im Jahr 1964 fanden ein weiteres sehr ungewöhnliches Röntgenobjekt im Sternbild Cygnus der Schwan. Cygnus X-1 war nicht nur ein Röntgen-Doppelstern, sondern die erste bestätigte Beobachtung eines Schwarzen Lochs – des Überbleibselkerns eines supermassiven Sterns, dessen Schwerkraft so stark ist, dass er kein Licht mehr aussenden kann. In einer Entfernung von 6100 Lichtjahren von der Erde ist Cygnus X-1 der Begleiter des Schwarzen Lochs eines blauen Überriesen. Durch die Messung, wie schnell der blaue Stern im Weltraum herumgewirbelt wird, konnten Astronomen herausfinden, dass das Schwarze Loch die Masse von 15 Sonnen enthält! Da Schwarze Löcher kein eigenes Licht emittieren, ist dies eine der wenigen Möglichkeiten für Astronomen, diese sehr seltsamen und kaum verstandenen Kreaturen zu lokalisieren und zu untersuchen.

Cygnus X-1

Künstlerische Darstellung von Cygnus X-1: ein Schwarzes Loch, das Gas von einem umkreisenden blauen Überriesenstern absaugt. Wenn das Gas in das Schwarze Loch fällt, wird es auf über eine Million Grad erhitzt und emittiert Röntgenstrahlen. Beide sind 6100 Lichtjahre entfernt im Sternbild Cygnus. Bildnachweis: NASA/ESA

Das Problem bei Höhenforschungsraketen ist, dass sie sich nur wenige Minuten über der Atmosphäre befinden. Dies beschränkt Astronomen darauf, nur einen kurzen Blick auf den Röntgenhimmel zu werfen. Die Einführung von Röntgenteleskopen auf erdumlaufenden Satelliten in den späten 1970er Jahren änderte dies alles. In den dazwischenliegenden Jahrzehnten haben Forscher einen Himmel entdeckt, der mit Röntgenlichtpunkten übersät ist: die Orte von Neutronensternen und Schwarzen Löchern. Näher an der Heimat haben Satelliten ein Röntgenlicht enthüllt, das vom ganzen Himmel ausgeht. Was sie sehen, ist das Innere einer gigantischen Gasblase mit einem Durchmesser von 300 Lichtjahren, in der sich das Sonnensystem befindet. Sie wird 'The Local Bubble' genannt und ist höchstwahrscheinlich der sehr alte Marker einer Supernova-Explosion, die die Region vor etwa 20 Millionen Jahren erschütterte. Wie hätte das für unsere Vorfahren auf einer primitiveren Erde ausgesehen?


Supernova RCW 86

Ein zusammengesetztes Bild des Supernova-Überrests, RCW 86. Röntgenstrahlen werden in Blau und Grün, Infrarotlicht in Gelb und Rot gezeigt. Das Bild zeigt die Überreste einer Supernova, die chinesische Astronomen im Jahr 185 n. Die Röntgenblase hat jetzt einen Durchmesser von 85 Lichtjahren. Röntgengutschrift: NASA/CXC/SAO & ESA; Infrarotkredit: NASA/JPL-Caltech/B. Williams (NCSU)

Röntgenteleskope enthüllen ein verborgenes und sehr energetisches Universum. Sie verfolgen interstellare und intergalaktische Gasströme, die auf Millionen von Grad erhitzt werden. Durch Neutronensterne und Schwarze Löcher, Supernova-Stoßwellen und kollidierende Galaxien ermöglicht die relativ neue Entdeckung außerirdischer Röntgenquellen Astronomen, einige der extremsten Umgebungen in unserem Kosmos zu erkunden.