Röntgenteleskop eRosita zeigt erstmals, wie unser Sonnensystem das Erscheinungsbild des Röntgenhimmels verändert
Rekonstruktion, wie der diffuse Röntgenhimmel für eRosita von Mai bis Oktober 2021 ausgesehen haben sollte. Zu jedem Zeitpunkt beobachtete eRosita allerdings nur ein Gebiet von einem Grad Durchmesser auf seinem Scan-Kreis, der mit einer hellblauen Linie markiert ist. Jeder 360-Grad-Scan dauerte 4 Stunden und wurde annähernd senkrecht zur Richtung der Sonne durchgeführt; sie befindet sich in dem überbelichteten Gebiet.
Rekonstruktion, wie der diffuse Röntgenhimmel für eRosita von Mai bis Oktober 2021 ausgesehen haben sollte. Zu jedem Zeitpunkt beobachtete eRosita allerdings nur ein Gebiet von einem Grad Durchmesser auf seinem Scan-Kreis, der mit einer hellblauen Linie markiert ist. Jeder 360-Grad-Scan dauerte 4 Stunden und wurde annähernd senkrecht zur Richtung der Sonne durchgeführt; sie befindet sich in dem überbelichteten Gebiet.
© K. Dennerl, J. Sanders, H. Brunner & the eSASS team (MPE); E. Churazov, M. Gilfanov (IKI)
Auf den Punkt gebrachtWissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik haben die Röntgenstrahlung, die in unserem Sonnensystem entsteht, von der diffusen kosmischen Röntgenstrahlung getrennt, und zwar mithilfe von Daten des Weltraumteleskops SRG/eRosita.Die Beobachtungen wurden zwischen 2019 und 2021 aus einer Entfernung von etwa 1,5 Millionen Kilometern von der Erde durchgeführt.Vier vollständige Himmelsdurchmusterungen, die das Minimum der Sonnenaktivität und den nachfolgenden Anstieg erfassten, ermöglichten den bislang klarsten Blick auf den weichen (Energie < 1 keV) Röntgenhimmel sowie die Nutzung der bisher als Störung angesehenen Vordergrundstrahlung zur Untersuchung der Heliosphäre.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik ist es gelungen, mithilfe des Weltraumteleskops SRG/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.
Dieser Erfolg liefert den bislang klarsten Blick auf den „weichen“ Röntgenhimmel, also Strahlung bei niedrigen Röntgenenergien unter einem Kiloelektronenvolt. Bisher galt diese Strahlung aus unserer eigenen kosmischen Heimat als Störstrahlung für Messungen jenes Röntgenlichts aus dem Universum, denn beide ließen sich nicht gut voneinander trennen. Zudem hilft die weiche Röntgenstrahlung dabei, zu messen, wie der Sonnenwind in Abhängigkeit von der Sonnenaktivität zusammengesetzt ist und wie sich interstellares Gas im Sonnensystem verteilt.
Die Röntgenstrahlung entsteht, wenn hochionisierte Sonnenwind-Teilchen wie Kohlenstoff und Sauerstoff Elektronen von neutralen Atomen einfangen. Da Atome in der oberen Erdatmosphäre (der sogenannten Geokorona) und im gesamten Sonnensystem (der Heliosphäre) vorhanden sind, führt das zu einer allgegenwärtigen Vordergrundstrahlung. Sie stört Astronominnen und Astronomen praktisch bei jedem Blick auf die diffuse Röntgenstrahlung aus dem Universum – von der hunderte Lichtjahre großen lokalen heißen Blase um das Sonnensystem und dem Milchstraßenhalo bis zu den Außenbereichen entfernter Galaxienhaufen. Wird die Intensität des Röntgenlichts falsch eingeschätzt, verfälscht das abgeleitete Messgrößen wie die Temperatur- und Dichteverteilung in Galaxienhaufen und damit kosmologische Modelle.
Als würde man das Sonnensystem im Röntgenlicht atmen sehen
Die Bahn von SRG/eROSITA im Erde-Mond System: eROSITA scannt den Himmel weit entfernt von der Erde und annähernd senkrecht zur Erdrichtung, und ist damit das erste Röntgenteleskop, das geokoronale Emission vermeidet.
Die Bahn von SRG/eROSITA im Erde-Mond System: eROSITA scannt den Himmel weit entfernt von der Erde und annähernd senkrecht zur Erdrichtung, und ist damit das erste Röntgenteleskop, das geokoronale Emission vermeidet.
Es sind zwei Besonderheiten. Erstens sind sie aufgrund der einzigartigen Beobachtungsposition, fern von der Erde, frei von der Röntgenstrahlung der Geokorona, die frühere Beobachtungen beeinträchtigte. Zweitens wurde der Röntgenhimmel viermal vollständig kartiert in einem Zeitraum von zwei Jahren, der das Minimum und den nachfolgenden Anstieg der Sonnenaktivität überdeckte. Durch den Vergleich von Beobachtungen bei unterschiedlichen Sonnenaktivitäten gelang es dem Team um Konrad Dennerl, die heliosphärische weiche Röntgen-Komponente zu isolieren und den weichen Röntgenhimmel so zu rekonstruieren, wie er bei Beobachtung von außerhalb des Sonnensystems erscheinen würde. Der mit eRosita erzielte Fortschritt geht jedoch über eine reine Datenbereinigung hinaus: die nun isolierte Strahlung unseres eigenen Sonnensystems dient selbst als wertvolles Signal.
Die Daten zeigen eine klare Entwicklung der heliosphärischen Röntgenemission über den Sonnenzyklus. Während des Sonnenminimums ist die Emission schwach und auf niedrige heliosphärische Breiten beschränkt. Mit zunehmender Sonnenaktivität wird sie intensiver und dehnt sich auf höhere Breiten aus. 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 Gabriele Ponti, dem erstmals aufgefallen war, dass in einem bestimmten Himmelsareal die diffuse Emission zeitliche Schwankungen zeigte.
Eine ortsfeste Röntgenquelle nahe der Erdbahn
Weitere Untersuchen ergaben Hinweise auf eine Röntgenquelle nahe der Erdbahn, die nicht die Sonne umkreist – scheinbar im Widerspruch zur Himmelsmechanik. Die Erklärung liegt in der Bewegung unseres Sonnensystems um das Milchstraßenzentrum. Dabei wird es von Gas, das Heliumatome enthält, durchströmt. Die Gravitation der Sonne verbiegt deren Flugbahnen und erzeugt auf der strömungsabgewandten Seite einen konzentrierten Strom – den Helium-Fokussierungskegel. Dieser wurde bereits seit den 1970er-Jahren vorhergesagt und durch Messungen interstellaren Heliums und UV-Beobachtungen bestätigt, doch Röntgennachweise blieben bislang unklar. Mit eRosita gelang nun die Kartierung des Helium-Fokussierungskegels ohne vorherige Annahmen über seine Lage, allein durch Analyse der aus verschiedenen Positionen beobachteten Röntgenstrahlung.
Forschende erstellten aus Sonnenwindmessungen und Daten, die die Verteilung interstellarer Materie im Sonnensystem zeigen, ein dreidimensionales, zeitlich aufgelöstes Modell der Röntgenstrahlung des Sonnensystems. Es ermöglichte eine Bestimmung der zu erwartenden Röntgenstrahlung aus der eRosita-Perspektive und konnte somit direkt überprüft werden; der Vergleich ergab eine insgesamt gute Übereinstimmung. Das Modell zeigt, dass die Emission zu jedem Zeitpunkt hauptsächlich in spiralförmigen Strukturen innerhalb der Marsumlaufbahn entsteht, die sich als Folge unterschiedlicher Sonnenwindgeschwindigkeiten ausbilden. Wir sehen sie am Röntgenhimmel als Aufhellungen, die je nach Blickrichtung zeitliche Signaturen von Stunden bis Tagen aufweisen. Erst bei Mittelung über mehrere Tage wird der Helium-Fokussierungskegel deutlich sichtbar.
Ein Paradigmenwechsel in der Röntgenastronomie
Die Ergebnisse markieren einen Wandel der Perspektive, indem sie ein bisher störendes Ärgernis in ein wertvolles diagnostisches Werkzeug umdefinieren. „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», bemerkt Konrad Dennerl, einer der Entdecker der Röntgenemission von Kometen im Jahr 1996, die zu einer Erklärung der heliosphärischen Röntgenstrahlung führte. „Das Verständnis der Röntgenemission unseres Sonnensystems ist der Schlüssel zur korrekten Interpretation des diffusen Röntgenhimmels.»