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Wie kann der Röntgenschweif eines Pulsars 42 Lichtjahre weit reichen?
Eine 42 Lichtjahre lange Röntgenspur verbindet den Pulsar PSR J1740+1000 mit einer zuvor rätselhaft versetzten Quelle ultrahochenergetischer Gammastrahlung. Gemeinsame Daten von Einstein Probe und dem Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) zeigen, dass beide Emissionen wahrscheinlich von derselben Population extrem energiereicher Elektronen und Positronen stammen. Die Teilchen breiten sich demnach über mindestens rund zehn Parsec bevorzugt in eine Richtung aus.
Nanjing (China). Pulsarwindnebel können geladene Teilchen auf extreme Energien beschleunigen, doch wie sie anschließend in den interstellaren Raum gelangen, ist oft schwer zu verfolgen. Beim rund 4.600 Lichtjahre entfernten PSR J1740+1000 schien die Lage besonders rätselhaft. Eine helle Quelle ultrahochenergetischer Gammastrahlung lag deutlich versetzt vom Pulsar und vom zuvor bekannten kurzen Röntgenschweif.
Neue Beobachtungen lösen diesen scheinbaren Versatz nun auf. Das Follow-up X-ray Telescope (FXT) an Bord von Einstein Probe erfasst einen viel längeren, schwachen Schweif, der bis in den Bereich der Gammastrahlung reicht. Zugleich zeigen aktualisierte LHAASO-Daten, dass auch die Gammaquelle ausgedehnt und in nahezu derselben Richtung länglich ist.
Forscher der Nanjing University (NJU) um Yi-Heng Chi haben die Röntgen- und Gammastrahlendaten gemeinsam ausgewertet. Einstein Probe beobachtete die Region insgesamt rund 71.000 Sekunden lang. Der diffuse Röntgenschweif zieht sich bis rund 32 Bogenminuten südwestlich des Pulsars. Bei der angenommenen Entfernung von 1,4 Kiloparsec entspricht das etwa 13 Parsec oder 42 Lichtjahren. Seine Breite beträgt rund sechs Bogenminuten, und damit ist er nach Angaben des Teams der längste bekannte Röntgenschweif eines Pulsarwindnebels.
Die aktualisierte LHAASO-Auswertung zeigt die Gammaquelle nicht mehr als punktförmig, sondern als elliptisch ausgedehnt und mit ihrer Hauptachse am Röntgenschweif ausgerichtet. Zudem nimmt die Gamma-Helligkeit mit wachsendem Abstand vom Pulsar ab. Eine entlang des Schweifs gleichmäßige Verteilung der strahlenden Teilchen passt deutlich schlechter zu den Daten und wird mit 4,3 Sigma verworfen.
Auch die Energiespektren beider Strahlungsarten lassen sich mit derselben Teilchenpopulation erklären. Im Modell erzeugen hochenergetische Elektronen und Positronen die Röntgenstrahlung durch Synchrotronstrahlung im Magnetfeld. Dieselben Teilchen übertragen per inverser Compton-Streuung Energie auf vorhandene Photonen und erzeugen so die beobachteten Gammastrahlen. Die gemeinsame Modellierung ergibt für das Magnetfeld rund 3,0 ± 0,2 Mikrogauss, ohne einen deutlichen räumlichen Trend entlang des Schweifs.
Damit ist keine erneute Beschleunigung der Teilchen unterwegs nötig, um die beiden Strahlungsbereiche zusammenzuführen, auch wenn die Autoren eine solche Nachbeschleunigung nicht vollständig ausschließen. Die Auswertung zeigt zugleich, dass Elektronen und Positronen mit Energien oberhalb von 100 Teraelektronenvolt den Pulsarwindnebel verlassen und über Parsec-Distanzen weitertransportiert werden.
Wie der gerichtete Transport zustande kommt, bleibt offen. Eine Möglichkeit ist, dass die Teilchen entlang eines geordneten interstellaren Magnetfelds diffundieren und sich quer dazu nur schwach ausbreiten. Elektronen mit 100 Teraelektronenvolt kühlen im angenommenen Magnet- und Strahlungsfeld innerhalb von ungefähr 10.000 Jahren ab. Um in dieser Zeit die beobachtete projizierte Strecke zurückzulegen, müsste die Diffusion entlang des Felds ausreichend schnell sein.
Als zweite Möglichkeit diskutiert das Team einen schnellen, gebündelten Ausfluss aus dem Pulsarwindnebel. Unter den Modellannahmen müsste dieser im Mittel mindestens rund 2.700 Kilometer pro Sekunde erreichen. Der genaue Wert hängt unter anderem von der unbekannten räumlichen Orientierung des Schweifs ab. Künftige präzisere Helligkeits- und Spektralmessungen könnten helfen, die beiden Szenarien voneinander zu unterscheiden.
Beide Erklärunge