Pulsarwindnebel wurden als mögliche Beschleuniger für kosmische Strahlen untersucht
Ein Riesenstern geht mit einem Knall: Wenn er stirbt, explodiert er in einer Supernova und hinterlässt eine diffuse Gas- und Staubwolke um seinen eigenen kleinen, kompakten Kern, oft in Form eines Neutronensterns.
Obergrenzen für den hadronischen Beitrag zum Gammastrahlenfluss von Pulsarwindnebeln, die unter den vier in dieser Analyse berücksichtigten Hypothesen gefunden wurden, wurden gegen die gesamten und einzelnen Gammastrahlenflüsse aus den 35 Quellen projiziert. Bildnachweis: IceCube Collaboration
Ein Pulsar ist ein schnell rotierender Neutronenstern mit einem extrem starken Magnetfeld, das elektromagnetische Strahlung emittiert, während er sich dreht, wie ein interstellarer Leuchtturm. Einige Pulsare erzeugen auch einen starken Wind geladener Teilchen, was zu einer Art Nebel führt, der als "Pulsarwindnebel" bezeichnet wird.
Pulsarwindnebel könnten erklären, wie und wo geladene Teilchen, sogenannte kosmische Strahlen, auf ihre hohen Energien beschleunigt werden. Und Neutrinos, die nahezu masselosen subatomaren Partikel, die vom IceCube Neutrino Observatory am Südpol untersucht wurden, können Forschern helfen, dies näher herauszufinden.
In einem kürzlich beim Astrophysical Journal eingereichten Artikel beschreibt die IceCube Collaboration eine Analyse, bei der IceCube-Daten von 9,5 Jahren durchsucht wurden auf der Suche nach Neutrinoemissionen von 35 Pulsarwindnebeln. Sie fanden keine signifikante Korrelation, daher setzten die Forscher Obergrenzen für die gesamte Neutrinoemission dieser Objekte.
Astronomen wissen, dass Pulsarwindnebel Gammastrahlen mit Energien im Maßstab von einer Billion Elektronenvolt (bekannt als Teraelectronvolt, TeV) emittieren. Beobachtungen zufolge sind sie die am häufigsten vorkommenden TeV-Gammastrahlenemitter in der Milchstraße, und einige Modelle sagen voraus, dass sie auch Quellen für kosmische Strahlung und Neutrinos sind.
Kosmische Strahlen sind hochenergetische subatomare Teilchen, die wir aus dem Weltraum entdecken. Wenn sie mit umgebenden Molekülen oder Strahlung interagieren, erzeugen sie Gammastrahlen und Neutrinos. Da Gammastrahlen aber auch ohne Wechselwirkung mit kosmischen Strahlen erzeugt werden können, aber das bloße entdecken sagt uns nicht viel. Gammastrahlen und Neutrinos von einer bestimmten Quelle aus zu sehen, wäre jedoch wie eine rauchende Waffe für einen Beschleuniger für kosmische Strahlen.
Auf der Suche nach Neutrino-Korrelation führten IceCube-Mitarbeiter eine Analyse von 35 Pulsarwindnebeln mit beobachteter TeV-Gammastrahlenemission durch. Anschließend bewerteten sie die Signifikanz der möglichen Korrelation anhand von vier verschiedenen Hypothesen: Zunächst nahmen sie an, dass die mögliche Neutrinoemission proportional zum mit den Quellen verbundenen hochenergetischen Gammastrahlenfluss ist. Sie gingen auch davon aus, dass alle Quellen die gleiche Wahrscheinlichkeit haben, Neutrinos zu emittieren, sowie von der Hypothese, dass Quellen mit sich schneller drehenden Zentralpulsaren bevorzugt werden. Schließlich untersuchten sie, ob jüngere Quellen bevorzugt werden sollten, weil sie energetischer sein könnten.
Letztendlich fanden die Forscher keine signifikante Korrelation zwischen IceCube-Neutrinos und den 35 Pulsarwindnebeln. Daher legten sie Obergrenzen für den maximalen Neutrino-Fluss fest, der von diesen Quellen erwartet werden kann. Sie begrenzten auch den Anteil der hadronischen Gammastrahlen am gesamten Gammastrahlenfluss, der von den Quellen aus beobachtet wurde, und stellten Einschränkungen für die Modellierung von Pulsarwindnebeln bereit.
„Das Vorhandensein von Hadronen in Pulsarwindnebeln hat einen erheblichen Einfluss auf unser Verständnis der Teilchenbeschleunigung in diesen großen Gammastrahlenemittern in der Milchstraße“, sagt Ali Kheirandish, Postdoc an der Pennsylvania State University und einer der führenden Vertreter dieser Analyse. "Schon ein geringer Beitrag von Ionen kann dazu beitragen, Spannungen bei der Modellierung der energiereichen Emission von Pulsarwinden zu lösen, und die erhaltenen Obergrenzen für die hadronischen Beiträge in dieser Analyse zielen darauf ab, dieses Hindernis zu überwinden."
Laut Qinrui Liu, einem Doktoranden an der Universität von Wisconsin - Madison und einem weiteren Leiter dieser Analyse, „bringen uns diese Ergebnisse näher an das Verständnis, ob Pulsarwindnebel Orte mit sehr hoher Energie für die Beschleunigung der kosmischen Strahlung sind.“