Aquila Booster verwandelt einen schwachen Pulsar in eine Hochleistungsquelle von PeV-Teilchen

„Pulsarwindnebel (PWNe) sind Blasen relativistischer Teilchen, die durch den Energieverlust der Rotation der zentralen Pulsare angetrieben werden“, weisen die Studienautoren an. Bemerkenswert an dieser Entdeckung ist nicht nur die Energie, sondern auch die Effizienz.

Dieses System scheint Energie in Hochgeschwindigkeits-Teilchen viel effektiver umzuwandeln, als die aktuelle Physik es eigentlich vorsieht. In einfachen Worten haben Astronomen möglicherweise einen kosmischen Teilchenbeschleuniger gefunden, der selbst ihre besten theoretischen Entwürfe übertrifft.

Schwächer als der Crab, aber immer noch stärker. Um den Durchbruch zu verstehen, hilft es zu wissen, worauf die Wissenschaftler blickten.

Technik, Energie und Einsatz

Eine Pulsarwindnebel entsteht, wenn ein totes Stern, genannt Pulsar, schnell rotiert und einen Strom geladener Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausstößt. Trifft dieser Wind auf das umgebende Material, entsteht eine leuchtende, energiereiche Wolke.

Das bekannteste Beispiel ist der Crab Nebula, der lange Zeit als Maßstab für extreme Teilchenbeschleunigung galt.

„Der Crab Nebula, angetrieben vom energiereichsten Pulsar der Milchstraße, wurde vom Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) als PeV-Gammastrahlungsquelle entdeckt und damit als extremster Teilchenbeschleuniger zusammen mit mehrwellenlängen Beobachtungen etabliert“, erklärten die Studienautoren. Allerdings ist PSR J1849-0001 kein Crab.

Technik, Energie und Einsatz

Seine Energieabgabe ist etwa 50 Mal schwächer. Gemäß Standardtheorien sollte dies einen viel schwächeren und weniger energiereichen Nebel bedeuten.

Stattdessen berichteten die Detektoren des LHAASO. Das Observatorium funktioniert, indem es Teilchenkaskaden – sogenannte Luftschauer – verfolgt, die entstehen, wenn hochenergetische Gammastrahlen die Erdatmosphäre treffen.

Durch die Rekonstruktion dieser Schauer können Wissenschaftler die Energie und Herkunft der einfallenden Gammastrahlen abschätzen. Mit dieser Methode fand das Team heraus, dass der Nebel um PSR J1849-0001 Gammastrahlen emittiert, die einem Potenzgesetzspektrum und bis zu 2 PeV reichen – ein extrem selten gesehener Bereich.

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Noch überraschender ist, dass die Gammastrahlungsleuchtkraft des Nebels bei PeV-Energien um ein Vielfaches höher ist als die des Krakennebels, trotz seines schwächeren Pulsars. Dies war sofort ein Warnsignal: Wie kann ein weniger leistungsstarker Motor einen stärkeren Hochenergieausstoß erzeugen?

Entschlüsselung des Aquila Boosters Um tiefer zu graben, kombinierten die Forscher LHAASO-Daten mit Röntgenbeobachtungen, um die inneren Bedingungen der Nebel zu kartieren – Dinge wie Magnetfelder und Teilchendichten. Dieser Multi-Wellenlängen-Ansatz ermöglichte es ihnen, abzuschätzen, wie effizient das System Teilchen beschleunigt.

Das Ergebnis war erstaunlich. Der Nebel arbeitet bei mindestens 27 Prozent des theoretischen Effizienzlimits unter idealen magnetohydrodynamischen Bedingungen.

Das ist höher als die bereits

Das ist höher als die bereits beeindruckenden ~16 Prozent des Crab. Aufgrund dieser unerwarteten Leistung nannte das Team das System den Aquila Booster.

„Kombinierte Röntgenbeobachtungen enthüllen eine extreme Teilchenbeschleunigungseffizienz, die sich der Eins oder diese sogar übersteigt, in der PWN, die wir als ‚Aquila Booster‘ bezeichnen“, so die Studienautoren. Allerdings wird es hier knifflig.

Im Standardbild gewinnen Teilchen an Energie an einem Abschaltstoß, wo der Pulsarwind auf das umgebende Material trifft. Wäre dieser Mechanismus hier verantwortlich, müsste die erforderliche Effizienz 100 Prozent übersteigen, was physikalisch unmöglich ist.

Technik und Auswirkungen

Mit anderen Worten können die beobachteten Energien einfach nicht durch das konventionelle Modell erklärt werden. Etwas anderes muss diese Teilchen beschleunigen, aber die Wissenschaftler wissen noch nicht, was.Nicht das vollständige und endgültige ErgebnisDiese Entdeckung legt eine Lücke in unserem Verständnis davon offen, wie das Universum funktioniert.

Wenn ein relativ bescheidenes Pulsarsystem theoretische Grenzen übertreffen kann, dann muss die Physik der Teilchenbeschleunigung in extremen Umgebungen überarbeitet werden.

Es deutet darauf hin, dass Pulsarwindnebel als Klasse weitaus effizienter und häufigere Quellen als bisher angenommen.Allerdings hängen die Effizienzschätzungen des Nebels ab.

Zukünftige Beobachtungen, insbesondere über mehr Wellenlängen und mit Detektoren der nächsten Generation, werden entscheidend sein, um zu bestätigen, ob dieses Verhalten typisch oder eine seltene Ausnahme ist. Die Studie wurde im Journal Nature Astronomy veröffentlicht.