Unsichtbares Leuchten am Himmel

Erste Karte der Röntgenstrahlung unseres Sonnensystems erstellt

Der gesamte Himmel ist von einem unsichtbaren Leuchten erfüllt – einer diffusen, weichen Röntgenstrahlung, die teils aus dem fernen All und teils aus unserem eigenen Sonnensystem stammt. Diese Vordergrundstrahlung haben Astronomen jetzt erstmals von den kosmischen Emissionen getrennt und genauer kartiert.

Von Markus Brauer

Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching bei München ist es erstmals gelungen, mithilfe des deutschen Weltraumteleskops eROSITA die Röntgenstrahlung aus unserem Sonnensystem von ähnlicher Strahlung, die aus dem fernen Weltraum zu uns gelangt, zu trennen.

Dies wurde durch vier Himmelskarten ermöglicht, die zwischen 2019 und 2021 in etwa 1,5 Millionen Kilometer Entfernung (etwa dem Vierfachen des Mondabstands) von der Erde entfernt erstellt wurden. So erreicht man den bislang klarsten Blick auf den „weichen“ Röntgenhimmel.

Die Studie ist im Fachjournal „Science“ erschienen.

Diffus vs „weich“: Unterschiedliche Röntgenstrahlung im Universum

Das Universum ist von unzähligen Röntgenquellen erfüllt. Diese energiereiche Strahlung entsteht etwa an Schwarzen Löchern und Neutronensternen, bei Sternexplosionen, an Doppelsternen und im Herzen aktiver Galaxien.

Die Kartierung solcher punktförmigen und diffusen Strahlungsquellen kann daher viel über die galaktische Umgebung des Sonnensystems sowie über ferne kosmische Prozesse und die Dunkle Seite des Universums verraten.

Doch der „weiche“ Röntgenhimmel – also mit Strahlung im Energiebereich von weniger als einem Kiloelektronenvolt (Elektronenvolt oder Elektronvolt – Einheitenzeichen: eV – ist eine Einheit der Energie, die in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig verwendet wird) – wird von einer diffusen Vordergrundstrahlung überlagert. Diese Störstrahlung stammt aus unserm eigenen Sonnensystem.

„Sie entsteht durch die Interaktion zwischen dem Sonnenwind und dem diffusen Gas in der Heliosphäre“, erklären Konrad Dennerl und sein Team vom MPE. Die Heliosphäre meint den weiträumigen Bereich um die Sonne, in dem der Sonnenwind mit seinen mitgeführten Magnetfeldern wirksam ist.

Wenn die ionisierten – also elektrisch aufgeladene Atome und Moleküle –, energiereichen Sonnenwind-Teilchen auf das Gas treffen, wird dieses angeregt und setzt beim Zurückfallen in den Grundzustand diese Röntgenstrahlung frei.

Warum die Vordergrundstrahlung Messungen so schwierig macht

Diese sogenannte SWCX-Röntgenstrahlung ist allerdings nicht gleichmäßig im Weltall verteilt und verändert sich ständig, so dass dieser Vordergrund-Effekt aus den astronomischen Beobachtungen schwer herauszurechnen ist. „Das Verständnis der Röntgenemission unseres Sonnensystems ist der Schlüssel zur korrekten Interpretation des diffusen Röntgenhimmels“, konstatiert Dennerl.

Erste präzise Kartierung der „weichen“ Strahlung

Um dieses physikalisch-mathematische Problem zu lösen, haben die Garchinger Astrophysiker nun die erste präzise Kartierung der von unserem Sonnensystem erzeugten „weichen“ Röntgenstrahlung erstellt. Sie nutzten dafür Daten des deutschen Röntgenteleskops eROSITA, das seit Sommer 2019 am Lagrangepunkt 2 kreist.

ank dieser kosmischen Position bleibt das Teleskop von erdnahen Störeffekten weitestgehend unbehelligt. Anhand seiner Daten können Astronomen daher genauer feststellen, woher die einzelnen Komponenten des „weichen“ Röntgenhimmels stammen.

Ein kompletter Sonnenzyklus beobachtet

Für ihre Studie analysierten die Forscher vier komplette Durchmessungen des Himmels, die das eROSITA Röntgenteleskop zwischen 2019 und 2021 durchgeführt hatte. Dies ist die Periode, die das Minimum des Sonnenzyklus und die darauffolgende Phase der langsam ansteigenden Sonnenaktivität umfasst. So konnten die Forscher beobachten, wie sich die durch den Sonnenwind beeinflusste SWCX-Röntgenstrahlung zeitlich und räumlich verändert.

Herausgekommen ist die bisher beste Trennung der im Sonnensystem erzeugten Vordergrundstrahlung von den „weichen“ Röntgenquellen und dem diffusen Röntgenleuchten im restlichen Kosmos. Erstmals können Astronomen dadurch den weichen Röntgenhimmel so betrachten und untersuchen, wie er von außerhalb des Sonnensystems erscheinen würde.

Bislang klarster Blick auf den Röntgenhimmel

Diese Himmelsansicht besteht zu 94 Prozent aus kosmischer Röntgenstrahlung und liefert damit den bislang klarsten Blick auf den Röntgenhimmel ohne den solaren Vordergrund. Gleichzeitig liefert die Karte aber auch neue Informationen darüber, wo und wie die SWCX-Röntgenstrahlung im Sonnensystem entsteht.

„Wenn man verfolgen kann, wie der Sonnenwind das Erscheinungsbild des Röntgenhimmels zeitlich verändert, ermöglicht uns das nicht nur eine Bereinigung von Beobachtungen des fernen Universums, sondern liefert uns auch bisher nicht mögliche Einblicke in die Sonnenphysik und die Dynamik der Heliosphäre“, erläutert Dennerl.

Die Daten zeigen eine klare Entwicklung der heliosphärischen Röntgenemission über den Sonnenzyklus. Während des solaren Minimums ist die Emission schwach und auf niedrige Breiten beschränkt. Mit zunehmender Sonnenaktivität wird diese Röntgenstrahlung intensiver und dehnt sich auf höhere Breiten aus.

Wenn das Sonnensystem im Röntgenlicht atmet

Dies bestätigt Vorhersagen aus Sonnenwindmessungen. Demnach sollte man zunächst eine Region reduzierter Röntgenemission bei hohen Breiten vorfinden, die sich dann allmählich schließt, „gerade so, als würde man das Sonnensystem im Röntgenlicht atmen sehen“, erklärt der Physiker Gabriele Ponti.

Die Analysen verraten auch, warum das so ist. Ursache dieses Effekts sind zwei verschiedene Anteile des Sonnenwinds. „Der langsame Sonnenwind ist stärker ionisiert als der schnelle“, berichten Dennerl und sein Team. „Dadurch erzeugt diese langsame Komponente mehr weiche Röntgenstrahlung.“ Diese Zone schrumpfe jedoch im Laufe des Sonnenzyklus.

Während des solaren Minimums dominiert jedoch vor allem in den hohen heliosphärischen Breiten der schnelle Sonnenwind, wodurch eine dunkle Zone im solaren Röntgenhimmel entsteht.

Dreidimensionales Modell der Störstrahlung

Und noch etwas anderes enthüllt die neue Kartierung: Es gibt nahe der Erdbahn eine Zone verstärkter Röntgenstrahlung, die sich weder mit der Erde mitbewegt noch die Sonne umkreist. Ursache dieser Röntgenemission ist nicht der Sonnenwind, sondern ein Teilchenstrom aus dem Zentrum unserer Milchstraße, wie die Astrophysiker erklären.

Aus Sonnenwindmessungen und Daten zur Verteilung der interstellaren Materie im Sonnensystem erstellten die Wissenschaftler ein dreidimensionales, zeitlich aufgelöstes Modell der SWCX-Emission erstellt. Es zeigt, dass die Emission zu jedem Zeitpunkt hauptsächlich in spiralförmigen Strukturen innerhalb der Marsumlaufbahn entsteht, die sich als Folge unterschiedlicher Sonnenwindgeschwindigkeiten ausbilden.

Störende Vordergrundstrahlung wird zu wichtigem Werkzeug

Die Forschungsergebnisse bieten Himmelsforschern eine neue Perspektive, indem sie die bisher störende Vordergrundstrahlung in ein wichtiges diagnostisches Werkzeug umwidmet.

„Wenn man verfolgen kann, wie der Sonnenwind das Erscheinungsbild des Röntgenhimmels zeitlich verändert, ermöglicht uns das nicht nur eine Bereinigung von Beobachtungen des fernen Universums, sondern liefert uns auch bisher nicht mögliche Einblicke in die Sonnenphysik und die Dynamik der Heliosphäre“, resümiert MPE-Forscher Konrad Dennerl.