Die exotischen Quellen des extremsten Lichts des Universums

NGC 3603

Kosmische Strahlung kann von Haufen riesiger, heißer Sterne wie NGC 3603 stammen, die von diesem 20.000 Lichtjahre entfernten bunten Nebel im Sternbild Carina umgeben sind. (Bildnachweis: NASA/U. Virginia/INAF, Bologna, Italien/USRA/Ames/STScI/AURA)



Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University , Gastgeber von Frag einen Raumfahrer und Weltraumradio , und Autor von ' Dein Platz im Universum “ (Prometheus-Bücher, 2018). Sutter hat diesen Artikel zu Expert Voices von demokratija.eu beigetragen: Op-Ed & Insights .



Wir alle kennen Licht, in irgendeiner Form. Etwas Licht können wir sehen, wie das relativ schmale sichtbare Spektrum, das die Farben des Regenbogens enthält. Anderes Licht können wir nicht sehen, aber fühlen: Die Wärme, die wir an einem warmen Sommertag von der Sonne spüren, stammt beispielsweise von der unsichtbaren Infrarotstrahlung, die von unserem Mutterstern ausgeht. Und selbst Licht können wir nur durch extreme Dosen erkennen: die ultraviolette Verbrennung eines langen Strandtages oder die gefährliche Wirkung von Gammastrahlen eines radioaktiven Objekts.

Es ist dieses extreme Licht, das die exotischsten Quellen im Universum hat. Während die meisten Strahlungsformen von Billionen über Billionen relativ ruhiger Sterne oder dem ultrakühlen Hintergrund des übriggebliebenen Lichts vom Urknall selbst (dem kosmischen Mikrowellenhintergrund) stammen, ist der Kosmos voller fantastischer energetischer Ereignisse. Und bei diesen Ereignissen finden wir einige wirklich außergewöhnliche Methoden zur Herstellung von Strahlung. [ Im Inneren der NASA-Mission 'Strahlungsgürtel-Sturmsonden' (Infografik) ]

Rund und rund gehen wir



Stellen Sie sich eine typische Radioantenne vor, die Strahlung erzeugt (in Form von Radiowellen, die Sie auf Ihrem Autoradio einstellen können), indem sie Elektronen auf und ab bewegt. Vor und zurück, vor und zurück senden diese sich beschleunigenden geladenen Teilchen schwappende Funksignale von der Antenne aus.

Stellen Sie sich vor, Sie erhöhen die Geschwindigkeit der abprallenden Elektronen, schicken sie hektisch die Antenne auf und ab und erzeugen dabei stärkere Radiowellen. Das würde schnell anstrengend werden. Um die Sache effizienter zu machen, biegen Sie die Antenne in eine Kreisbahn und verwenden so etwas wie superstarke Magnete, um diese Ladungen mit fast Lichtgeschwindigkeit kreischend zu senden.

'Beschleunigen' kann nun das Anhalten und Starten bedeuten, wie im Fall einer linearen Funkantenne, aber es kann auch eine Richtungsänderung bedeuten, wie etwa einer Kreisbahn zu folgen, wie im Fall unserer neuen Vorrichtung. Diese wirbelnden Elektronen schaffen es also immer noch, Strahlung auszusenden und sind jetzt in der Lage, hochenergetische Ultraviolett- und Röntgenstrahlen zu emittieren. Und anstatt diese Strahlung in einem breiten Spritzer zu verteilen, wird sie zu einem schmalen Strahl konzentriert, der eher wie die Scheinwerfer eines Autos aussieht, das um eine schnelle Kurve fährt.



Diese Strahlung wurde zuerst in einem Synchrotron beobachtet (ein Gerät, das genau das oben beschriebene tut), daher der Name Synchrotronstrahlung, aber die Natur kann dies im Überfluss machen: Immer wenn starke Magnetfelder mit Elektronen zusammenkommen, wie die Jets, die aus aktiven galaktischen Kernen kann die Synchrotronparty beginnen.

Warpgeschwindigkeit

Wir alle wissen, dass die Lichtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit ist – die schnellste von allen. Nichts kann jemals einen Lichtstrahl in einem Eins-gegen-Eins-Drag-Rennen schlagen … im reinen Vakuum. Beim Durchqueren eines Materials kann sich die Lichtgeschwindigkeit jedoch erheblich verlangsamen. Im Wasser zum Beispiel breitet sich die Strahlung nur mit drei Viertel ihrer üblichen rasenden Geschwindigkeit aus.

Und wenn das Licht so humpelt, hindert nichts ein schnellfüßiges Teilchen daran, es im Geschwindigkeitsspiel zu besiegen.



Wenn sich ein Objekt schneller als die Schallgeschwindigkeit durch ein Medium fortbewegt, wie ein Überschallstrahl, der durch die Atmosphäre schießt, erzeugt es eine Anhäufung von Schallwellen namens Überschallknall . Analogien – und Analogien sind hier der beste Weg, da die Physik wirklich schwierig zu beschreiben ist – erzeugt ein geladenes Teilchen, das schneller als Licht durch ein Medium geht, eine Anhäufung von Lichtwellen – auch bekannt als Strahlung.

Dieses ultraviolette Licht, das zu Ehren seines Entdeckers Pavel Cherenkov als Cherenkov-Strahlung bekannt ist, wird typischerweise in Kernreaktoren und Hochenergiephysik-Experimenten gesehen, bei denen sich schnell bewegende Teilchen durch Wasserbäder sausen. Sie sind auch nicht nur ein Nebenprodukt von Big Science – sie werden in hochmodernen Experimenten verwendet, um die Ursprünge von superhochenergetischen Teilchen zu verfolgen, die wie kosmische Kugeln aus dem Weltraum herabregnen.

Mach eine Pause

Das letzte Beispiel hat einen phantastisch deutschen Namen: „Bremsstrahlung“, was grob übersetzt „Bremsstrahlung“ bedeutet. Auch diese Form der Strahlung erfordert hohe Energien und geladene Teilchen. Wenn Sie in diesem Fall eine starke Kombination aus leichten, sich schnell bewegenden Teilchen (wie Elektronen) und schweren, sich langsam bewegenden Teilchen (wie Protonen oder Atomkernen) haben, erhalten Sie viel Licht mit einem coolen Namen.

Wenn Elektronen herumwirbeln, nähern sie sich manchmal den Kernen, und sie haben mehr Chancen, dies zu tun, wenn sie viel Energie haben. Wenn die Temperaturen hoch genug sind, werden sie nicht gefangen und bilden Atome. Stattdessen spüren sie nur eine kurze gegenseitige Anziehung (da sie gegensätzliche Ladungen sind), ziehen leicht an dem Elektron und stoßen es in eine etwas andere Richtung, als es ursprünglich war. Und da eine Richtungsänderung eine Beschleunigung ist und beschleunigende geladene Teilchen Licht emittieren, wird Licht … emittiert.

Dies kann nur in sehr energiereichen Umgebungen passieren, daher kommt Bremsstrahlung typischerweise in Form von Röntgenstrahlen. Und es gibt eine bestimmte Umgebung im Universum, die einfach wunderbar Bremsstrahlung erzeugen kann: die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum.

Galaxienhaufen beherbergen tausend oder mehr Galaxien, die sich alle in einem Volumen von Millionen von Lichtjahren an einer Seite bewegen. Aber die Galaxien sind nicht allein; sie schwimmen durch eine heiße, aber extrem dünne Plasmasuppe, die als Intracluster-Medium bekannt ist. Dieses Medium besteht aus – Sie ahnen es – leichten Elektronen und schweren Nukleonen, und wenn wir diese Haufen mit Röntgenteleskopen betrachten, sehen wir gigantische leuchtende Kleckse hochenergetischer Röntgenstrahlung: Bremsstrahlung.

Erfahre mehr, indem du dir die Folge anhörst 'Was passiert, wenn Galaxien kollidieren?' im Podcast Ask A Spaceman, verfügbar auf iTunes und im Web unter http://www.askaspaceman.com . Danke an Rick B. und Entweder L. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter . Folge uns auf Twitter @spacedotcom Facebook. Originalartikel zu demokratija.eu .