Novae senden Gammastrahlen durchs All

Novae beziehen sich auf das lateinische „stella nova“‘ („neuer Stern“) und stellen eigentlich keine außergewöhnlichen astronomischen Phänomene dar. Schließlich kommen derartige Ereignisse etwa 30 bis 50 Mal pro Jahr in unserer Milchstraße vor. Klassische Novae sind auch keine wirklich „neuen“ Sterne, sondern bezeichnen charakteristische Helligkeitsänderungen im sichtbaren Licht von Doppelsternsystemen, deren eine Komponente ein Weißer Zwergstern ist, der eine spektakuläre thermonukleare Explosion seiner Sternoberfläche erleidet. Grund dafür ist der begleitende heiße Stern, der Materie abgibt und damit dem eigentlich ‚ausgebrannten‘ kompakten Zwergstern wieder Brennstoff zuführt. Der wird dann auch entsprechend genutzt: Energie aus der Fusionsreaktion und Materie vom Zwergstern wird freigesetzt und in den Weltraum geschleudert. Das Sternensystem selbst bleibt dabei erhalten und kann eine derartige Episode nach Hunderttausenden von Jahren erneut durchleben.

Überraschend war hingegen, dass mit dem Fermi-Weltraumteleskop vor vier Jahren von einem solchen System auch hochenergetische Gammastrahlung detektiert werden konnte. „Bis dahin hatte niemand die Möglichkeit in Erwägung gezogen, dass auch Novae Teilchen in den Gigaelektronenvolt-Bereich beschleunigen könnten und damit im Lichte der Gammastrahlung sichtbar sein würden“, sagt Olaf Reimer, Professor am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck und Mitglied im Fermi Large Area Telescope Team. Dies konnte durch die gründliche Analyse des Nova-Ausbruchs von V407 Cyg in Verbindung mit der optischen Helligkeitsveränderung und beobachteter Gammastrahlung zweifelsfrei bewiesen werden.
Allerdings handelte es sich bei V407 Cygnus vermutlich um den eher seltenen Fall einer regelmäßig wiederkehrenden Nova mit einem Roten Riesen als Materiespender. Die Partnersterne umkreisen sich hier viel enger als bei klassischen Novae, und der Materiefluss zum Zwergstern ist entsprechend höher. Damit können sich Explosionen auf der Sternoberfläche bereits auf Zeitskalen von Jahrzehnten wiederholen.

Mehrere Novae beobachtet

Nun haben Beobachtungen mit dem Fermi Gammastrahlen-Teleskop in den Jahren 2012 und 2013 noch drei weitere Novae feststellen lassen, die unter den Namen V1324 Sco (im Sternbild des Skorpions), V959 Mon (im Sternbild des Einhorns) und V339 Del (im Sternbild des Delphins) verzeichnet sind. Hier handelt es sich aber um die häufigen und vergleichsweise unspektakulären klassischen Novae. Für alle drei dieser Beobachtungen sind große Gemeinsamkeiten in den Parametern zu verzeichnen: Die beobachteten Gammastrahlenspektren sind sehr ähnlich, schneiden bei vergleichbaren Energien (wenige GeV) steil ab, die Gammastrahlenemission wird typischerweise über zwei bis drei Wochen in täglichen Beobachtungen detektiert und Helligkeit im Gammastrahlenbereich vergrößert sich dabei typischerweise wenige Tage nach der Erstdetektion, d.h. erfolgt später als in den Wellenlängen des sichtbaren Lichtes.
„Wir können nun die Hypothese wagen“, sagt Olaf Reimer „dass alle klassischen Novae mit hochenergetischer Gammastrahlenemission einhergehen“. Der große Unterschied zwischen den zahlreichen Beobachtungen im sichtbaren Licht und den vier Novae im Gammastrahlenbereich über einen Zeitraum von etwa fünf Jahren Beobachtungszeit mit dem Fermi-Weltraumteleskop erklärt sich aus der Empfindlichkeit der Teleskope bei verschiedenen Wellenlängen. So werden die Novae im Gammastrahlenbereich nur aus dem vergleichsweise geringen Abstand (Lichtlaufzeiten zwischen neun- und fünfzehntausend Jahren) zu unserer Erde beobachtet, während die typischen Raten von mehreren Dutzend Novae pro Jahr über die gesamte Milchstraße hinweg zu verzeichnen sind.

Ursache noch nicht eindeutig erklärt

Welche physikalischen Prozesse die Gigaelektronenvolt-Gammastrahlung in Novae produzieren, lässt sich jedoch noch nicht eindeutig identifizieren. „Wie in einigen anderen astronomischen Objekten am höchsten Ende des elektromagnetischen Spektrums ist die Emission sowohl über hadronische als auch leptonische Prozesse erklärbar“, sagt Olaf Reimer. „In beiden Varianten kann genügend Energie in die Teilchenbeschleunigung gehen, die dann entsprechende Gammastrahlenproduktion nach sich zieht.“ Lediglich die speziellen Bedingungen im Doppelsternsystem wie beispielsweise die Magnetfeldstärke oder Intensität der Strahlungsfelder setzen die Präferenz für die Dominanz oder gar Exklusivität eines physikalischen Prozesses. „Leider kennen wir diese Bedingungen aber nicht gut genug oder beobachten noch nicht präzise genug, um dies bereits entscheiden zu können“, sagt Olaf Reimer. Mit den jüngsten Beobachtungen des Fermi Gammastrahlen-Teleskops hat allerdings der exklusive Klub der extremen Hochenergiequellen im All recht unkapriziöse neue Mitglieder erhalten.

Die Veröffentlichung erscheint in Science Magazine bzw. vorab online in Science Express am 1. August. Am Bau der Detektoren auf Fermi und am Betrieb des Observatoriums sind neben der NASA und dem US-Energieministerium Forschungseinrichtungen in den Vereinigten Staaten, in Frankreich, Italien, Schweden, Deutschland und Japan beteiligt.