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Abbildung 1: Das kalte Zentrum des Perseus Galaxienhaufen. In der
Vergrößerung (rechts) ist das verdichtete Gas zu sehen. Sichtbar wird es durch
seine Röntgenemission. (Linke Aufnahme: ROSAT- Röntgensatellit, rechte
Aufnahme: Chandra-Röntgensatellit;
mit freundlicher Genehmigung von NASA / IoA / A. Fabian u.a.)
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Abbildung 2: Eine ausgedehnte diffuse Radioquelle (engl.: radio
mini-halo) im Perseus Galaxienhaufen mit einem Durchmesser von ungefähr
500.000 Lichtjahren. Dieses Bild zeigt farbkodiert die Radiostrahlung bei 1,4
GHz, welche am amerikanischen VLA-Teleskop aufgenommen wurde; mit
freundlicher Genehmigung von Pedlar u.a. (1990).
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Abbildung 3: Die Zeichnung zeigt die hochenergetische Teilchenreaktion
in dem vorgeschlagenen Szenario. Ein lichtschnelles Proton (engl.: cosmic
ray proton (CRp)) kollidiert mit einem Proton (p) des Gases im
Galaxienhaufen und produziert ein elektrisch geladenes Pion
(π+). Dieses Pion zerfällt nacheinander in ein Myon (μ),
Neutrinos (ν) und letztendlich in ein Elektron bzw. Positron (e), abhängig
von der Ladung des Pions. Dieses Elektron/Positron bewegt sich auf einer
spiralförmigen Bahn um die Magnetfeldlinien im Galaxienhaufen und erzeugt
Radiostrahlung, die sich auf der Erde von Radioteleskopen wie dem VLA beobachten lässt. Ebenso häufig wird
ein neutrales Pion (π0) erzeugt. Es zerfällt in zwei
hochenergetische Photonen. Diese Gammastrahlung kann durch Cerenkov-Teleskope
und in zukünftigen Satellitenmissionen wie GLAST nachgewiesen werden. Die Bilder
werden mit freundlicher Genehmigung von GLAST / Spectrum Astro und NRAO / AUI /
NSF gezeigt.
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Abbildung 4: Die Helligkeit der Radiostrahlung des Perseus
Galaxienhaufens als Funktion des Abstands vom Zentrum des Haufens
(logarithmische Darstellung). Der Vergleich von beobachteten Radiodaten (blaue
Kreuze, von Pedlar u.a. (1990)) mit dem neuen theoretischen Modell zeigt eine
sehr gute Übereinstimmung.
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Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Objekte des Universums,
bestehend aus Hunderten von Galaxien und heißem Wasserstoffgas, das
Röntgenstrahlung abgibt. Sie entstehen, indem sich Galaxiengruppen und kleinere
Galaxienhaufen in teils gewaltigen Kollisionen zusammenschließen. Während der
Zusammenstöße werden riesige Energiemengen freigesetzt, die zu einer Vielzahl
von ausgedehnten Radiophänomenen wie beispielsweise der Entstehung von
Radiohalos und Radiorelikten führen (siehe
Radiogeister in Kollisionen von Galaxienhaufen). In den folgenden Hunderten
von Jahrmillionen kommt der Galaxienhaufen wieder zur Ruhe. Die vom
Zusammenstoß erhitzten Gasmassen im Zentrum dieser Haufen kühlen aus und
verdichten sich; sie bilden sogenannte kalte Zentren, wie zum Beispiel
im Perseus Galaxienhaufen (Siehe Abb. 1). Nun sollte man meinen, dass es in
diesen ruhigen Haufen, die seit hunderten Millionen von Jahren keine
Energiezufuhr mehr erfahren, keinerlei ausgedehnte Radiophänomene mehr zu
beobachten gibt. Dennoch detektieren Radioteleskope in solchen Objekten
mitunter diffuses Leuchten, so auch im Perseus Galaxienhaufen (siehe
Abb. 2). Woher nehmen die kalten Haufen die Energie zum Glühen?
In dem von Christoph Pfrommer und Torsten Enßlin vorgeschlagenen Szenario
dienen lichtschnelle Protonen als Energiespeicher. In dem relativ dünnen Gas
der Galaxienhaufen konservieren diese Teilchen einen Teil der einst bei den
Zusammenstößen der kleineren Galaxienhaufen freigesetzte Energie über
Milliarden von Jahren. Abgegeben wird diese Energie erst dann, wenn die
schnellen Protonen mit Gasteilchen zusammenstoßen. Je dichter das Gas in den
Zentren der Galaxienhaufen wird, um so häufiger kollidieren die Teilchen. Dabei
erzeugen sie vor allem so genannte Pionen. Viele von ihnen zerfallen in
Elektronen und Positronen, die dann um die Magnetfeldlinien des Galaxienhaufens
kreisen. Durch die rasante Kreisbewegung strahlen die Elektronen ihre Energie
ab, welche nach einer langen kosmischen Reise von Radioteleskopen aufgefangen
werden kann (siehe Abb. 3).
Berechnungen zeigen, dass verhältnismäßig wenige lichtschnelle Protonen
benötigt werden, um das beobachtete Radioleuchten zu erzeugen. Außerdem ergibt
sich eine erstaunlich gute Übereinstimmung zwischen der mit diesem Modell
vorhergesagten Helligkeitsverteilung und den gemessenen Radiodaten (siehe
Abb. 4).
Bei der beschriebenen Teilchenreaktion müsste auch hochenergetische
Gammastrahlung freigesetzt werden, die auf der Erde durch so genannte
Cerenkov-Teleskope nachgewiesen werden kann. Die vor kurzem von einem solchen
Teleskop (HEGRA)
beobachtete Gammastrahlung aus dem Virgo-Haufen könnte schon ein erstes Indiz
für die Richtigkeit dieses Szenarios sein. Endgültigen Aufschluss über dieses
Modell erwarten die Wissenschaftler von der zukünftige Satellitenmission GLAST (Starttermin 2006).
Christoph Pfrommer & Torsten Enßlin
Weitere Information:
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