Med ett specialiserat teleskop i Namibia har en DESY-ledd forskargrupp bevisat en viss typ av binärstjärna som en ny typ av källa för mycket högenergisk kosmisk gammastrålning. Eta Carinae ligger 7500 ljusår bort i stjärnbilden Carina (skeppskölen) på den södra himlen och, baserat på de insamlade uppgifterna, avger gammastrålar med energier ända upp till 400 gigaelektronvolt (GeV), cirka 100 miljarder gånger mer än energin i synligt ljus. Teamet som leds av DESYs Stefan Ohm, Eva Leser och Matthias Füßling presenterar sina resultat, gjord vid gammastrålobservatoriet High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), i journalen Astronomi &Astrofysik . En medföljande multimediaanimation förklarar fenomenet. "Med sådana visualiseringar vill vi göra fascinationen av forskning påtaglig, " betonar DESYs chef för astropartikelfysik, Christian Stegmann.

Eta Carinae är ett binärt system av superlativ, bestående av två blå jättar, en cirka 100 gånger, den andra ungefär 30 gånger massan av vår sol. De två stjärnorna kretsar om varandra vart 5,5:e år i mycket excentriska elliptiska banor, deras separation varierar ungefär mellan avståndet från vår sol till Mars och från solen till Uranus. Båda dessa gigantiska stjärnor slungar tätt, överljudsstjärnvindar av laddade partiklar ut i rymden. I processen, den större av de två förlorar en massa som motsvarar hela vår sol på bara 5000 år eller så. Den mindre producerar en snabb stjärnvind som färdas med hastigheter runt elva miljoner kilometer i timmen (cirka en procent av ljusets hastighet).

En enorm stötfront bildas i området där dessa två stjärnvindar kolliderar, värma upp materialet i vinden till extremt höga temperaturer. Vid cirka 50 miljoner grader Celsius, denna materia strålar starkt i röntgenområdet. Partiklarna i stjärnvinden är inte tillräckligt varma för att avge gammastrålning, fastän. "Dock, chockregioner som detta är vanligtvis platser där subatomära partiklar accelereras av starka rådande elektromagnetiska fält, " förklarar Ohm, vem är chef för H.E.S.S. grupp på DESY. När partiklar accelereras så snabbt, de kan också avge gammastrålning. Faktiskt, satelliterna "Fermi, " som drivs av den amerikanska rymdorganisationen NASA, och AGILE, som tillhör den italienska rymdorganisationen ASI, redan upptäckt energiska gammastrålar på upp till cirka 10 GeV från Eta Carinae 2009.

"Olika modeller har föreslagits för att förklara hur denna gammastrålning produceras, " Füßling rapporterar. "Det kan genereras av accelererade elektroner eller av högenergetiska atomkärnor." Att avgöra vilket av dessa två scenarier som är korrekt är avgörande:mycket energiska atomkärnor står för huvuddelen av de så kallade kosmiska strålarna, en subatomisk kosmisk hagelstorm som ständigt drabbar jorden från alla håll. Trots intensiv forskning i mer än 100 år, källorna till de kosmiska strålarna är fortfarande inte uttömmande kända. Eftersom de elektriskt laddade atomkärnorna avböjs av kosmiska magnetfält när de färdas genom universum, riktningen från vilken de anländer till jorden pekar inte längre tillbaka till deras ursprung. Kosmiska gammastrålar, å andra sidan, är inte avböjda. Så, om gammastrålning som sänds ut av en specifik källa kan visas härröra från högenergiatomkärnor, en av de länge eftersökta acceleratorerna för kosmisk partikelstrålning kommer att ha identifierats.

"I fallet Eta Carinae, elektroner har särskilt svårt att accelerera till höga energier, eftersom de ständigt avböjs av magnetfält under sin acceleration, vilket gör att de tappar energi igen, " säger Leser. "Mycket högenergigammastrålning börjar över 100 GeV-intervallet, vilket är ganska svårt att förklara i Eta Carinae för att härröra från elektronacceleration." Satellitdata visade redan att Eta Carinae också sänder ut gammastrålning över 100 GeV, och H.E.S.S. har nu lyckats detektera sådan strålning upp till energier på 400 GeV runt tidpunkten för närmötet mellan de två blå jättarna 2014 och 2015. Detta gör dubbelstjärnan till det första kända exemplet på en källa där mycket högenergisk gammastrålning genereras av kolliderande stjärnvindar.

"Analysen av gammastrålningsmätningarna som H.E.S.S. och satelliterna tagit visar att strålningen bäst kan tolkas som produkten av snabbt accelererade atomkärnor, " säger DESYs doktorand Ruslan Konno, som har publicerat en medföljande studie, tillsammans med forskare från Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg. "Detta skulle göra chockområdena för kolliderande stjärnvindar till en ny typ av naturlig partikelaccelerator för kosmiska strålar." Med H.E.S.S., som är uppkallad efter upptäckaren av kosmiska strålar, Victor Franz Hess, och den kommande Cherenkov Telescope Array (CTA), nästa generations gammastrålningsobservatorium som för närvarande byggs i det chilenska höglandet, forskarna hoppas kunna undersöka detta fenomen mer i detalj och upptäcka fler källor av detta slag.

Tack vare detaljerade observationer av Eta Carinae på alla våglängder, stjärnornas egenskaper, deras banor och stjärnvindar har bestämts relativt exakt. Detta har gett astrofysiker en bättre bild av det binära stjärnsystemet och dess historia. För att illustrera de nya observationerna av Eta Carinae, DESY-astrofysikerna har producerat en videoanimation tillsammans med animationsspecialisterna från det prisbelönta Science Communication Lab. De datorgenererade bilderna ligger nära verkligheten eftersom den uppmätta orbitalen, stjärn- och vindparametrar användes för detta ändamål. Den internationellt hyllade multimediakonstnären Carsten Nicolai, som använder pseudonymen Alva Noto för sina musikaliska verk, skapade ljudet för animationen.

"Jag tycker att vetenskap och vetenskaplig forskning är oerhört viktig, säger Nicolai, som ser nära paralleller i konstnärers och vetenskapsmäns skapande arbete. För honom, dragningen av detta verk låg också i den konstnärliga förmedlingen av vetenskapliga forskningsresultat:"särskilt det faktum att det inte är ett filmljudspår, men har en genuin referens till verkligheten, " betonar musikern och artisten. Tillsammans med det exklusivt komponerade soundet, detta unika samarbete mellan forskare, animationsartister och musiker har resulterat i ett multimediaverk som tar tittarna på en extraordinär resa till en superlativ dubbelstjärna cirka 7500 ljusår bort.