Dürfen wir vorstellen? Gamma-intensive Protosterne!

Neue Sterne werden gebildet, wenn ein Teil einer Molekülwolke aus Gas und Staub unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft kollabiert. Solche noch im Entstehen begriffenen Sterne nennt man „Protosterne“. Während dieser Entstehungsphase interagiert die auf ihn herabfallende Materie mit intensiven Magnetfeldern, die einen Teil der Materie in Form von Jets, die Geschwindigkeiten von Hunderten von Kilometern pro Sekunde erreichen können, in den Weltraum ausstoßen. Lange Zeit wurden Protosternsysteme vor allem als thermische Quellen verstanden, deren Emissionen von Wärmestrahlung dominiert wurden. Es gab jedoch Hinweise darauf, dass möglicherweise auch etwas Extremeres vor sich geht.

Eine vom Institut für Astrophysik Andalusiens (IAA-CSIC) in Zusammenarbeit mit DESY durchgeführte Studie, die heute in „Nature Astronomy“ veröffentlicht wurde, bestätigt diese Hinweise: Sie hat die Existenz einer neuen Population von sich bildenden Sternen aufgedeckt, deren Materiejets in der Lage sind, Protonen wirkungsvoll zu beschleunigen und Gammastrahlen zu erzeugen – die energiereichste Form von Licht im Universum. Diese Population wird als „Gamma-Loud-Protostars“ (gamma-intensive Protosterne) bezeichnet.

„Wir haben nicht nur die Bedeutung und die Auswirkungen dieser Materiejets auf ihre Umgebung bestätigt, sondern konnten auch die Energie der nachgewiesenen Gammastrahlen mit der Leistung ihrer emittierenden Quelle in Verbindung bringen“, erklärt Javier Méndez Gallego, Leiter der Studie und Forscher am IAA-CSIC.

Diese Forschung schließt eine wichtige Lücke im Verständnis der Sternentstehung und ergänzt die Liste der Eigenschaften von Protosternen um nicht-thermische Prozesse.

Spuren der Geburt eines kosmischen Beschleunigers

Für diese Ergebnisse verglich das Forschungsteam den mit dem Fermi-Weltraumteleskop erstellten, umfassendsten Katalog unsortierter Gammastrahlenquellen mit den Positionen junger stellaren Objekte aus dem „Red MSX Source Survey“. Die Analyse ergab 33 wahrscheinliche Zusammenhänge zwischen den beiden Objekttypen, sodass erstmals eine Population von Gammastrahlen emittierenden Protosternen identifiziert werden konnte.

Gammastrahlen sind die energiereichste Form elektromagnetischer Strahlung und stehen oft im Zusammenhang mit einigen der extremsten Phänomene im Universum, beispielsweise Supernova-Explosionen und aktive Schwarze Löcher. Ihr Nachweis ist besonders wichtig, da sie es Forschenden ermöglichen, Teilchenbeschleunigungsprozesse nachzuverfolgen, die sonst nur schwer zu beobachten wären. Sie dienen somit als Fingerabdruck der Mechanismen, die für die Beschleunigung kosmischer Strahlung verantwortlich sind.

„Gammastrahlen öffnen ein Beobachtungsfenster in das nicht-thermische Universum, in dem extreme astronomische Quellen wie Schwarze Löcher und Pulsare als natürliche Teilchenbeschleuniger wirken. Diese Teilchen bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum und interagieren mit ihrer Umgebung und verursachen dabei erhebliche energetische und chemische Veränderungen“, erklärt Emma de Oña Wilhelmi, Forscherin bei DESY und Mitautorin der Studie. Der Ursprung dieser Teilchen, bei denen es sich hauptsächlich um Protonen handelt, bleibt eines der großen Rätsel der Astrophysik.

Die Ergebnisse zeigen zudem einen Zusammenhang zwischen der Energie der nachgewiesenen Gammastrahlen und der Leistung der von den Protosternen ausgestoßenen Jets. „Dieser Zusammenhang hat es uns ermöglicht, die Gammastrahlung direkt mit der Jet-Aktivität in Verbindung zu bringen und zu bestätigen, dass diese Objekte als effiziente Protonenbeschleuniger fungieren“, sagt Rubén López-Coto, Forscher am IAA-CSIC und Zweitautor der Veröffentlichung. 

Das Forschungsteam geht davon aus, dass diese Beschleunigung stattfindet, wenn die von den Protosternen ausgestoßenen Jets mit dem umgebenden Gas kollidieren. Diese Zusammenstöße wirken wie natürliche Beschleuniger, die Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringen und so die beobachtete Gammastrahlung erzeugen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Protosterne ein neues natürliches Labor für die Erforschung der Beschleunigung kosmischer Strahlung sind. Durch zukünftige Beobachtungen werden wir die Physik hinter dieser Strahlung besser verstehen können“, fasst Javier Méndez Gallego zusammen.