Ein undichter Sternhaufen

Sternhaufen – galaktische Kinderstuben

Sternhaufen sind in jeder Galaxie von großer Bedeutung: Sie sind der Geburtsort neuer Sterne und enthalten oft massereiche Sterne mit einer Masse von 10 Sonnenmassen oder mehr. Solche Sterne treiben oft starke Winde an; die kombinierte Wirkung aller Sterne im Haufen führt dann zur Bildung einer „Superblase“ – einer Art Hohlraum mit geringerer Teilchendichte im interstellaren Medium.

Unter den vielen Sternhaufen in der Milchstraße sticht Westerlund 1 besonders hervor. Es ist der nächstgelegene, massereichste und leuchtkräftigste Sternhaufen in der Milchstraße und befindet sich etwa 13.000 Lichtjahre von uns entfernt.

Westerlund 1 als Beschleuniger kosmischer Strahlung

Junge massereiche Sternhaufen sind nicht nur Sternentstehungsgebiete, sondern produzieren auch hochenergetische Teilchen, die als kosmische Strahlung bekannt sind. Da diese Teilchen elektrisch geladen sind, werden sie von den allgegenwärtigen Magnetfeldern im Universum abgelenkt und können nicht zu ihrem Ursprung zurückverfolgt werden. Um die Entstehung kosmischer Strahlung zu untersuchen, suchen Astronomen daher nach hochenergetischen Gamma-Photonen, die von der kosmischen Strahlung in der Nähe ihrer Quelle erzeugt werden und sich, da sie elektrisch neutral sind, in geraden Linien ausbreiten.

Zuvor hatten Forschende mit Hilfe des H.E.S.S.-Teleskopsystems die Existenz extrem energiereicher Tera-Elektronenvolt (TeV; 10¹² eV) Gammastrahlung in der Nähe von Westerlund 1 nachgewiesen, was den Sternhaufen als leistungsstarken Teilchenbeschleuniger ausweist. Die TeV-Emission erscheint als ringförmige Struktur um Westerlund 1, was als Beschleunigung kosmischer Strahlung an einer Schockfront (dem „Terminationsschock“) interpretiert wurde, die durch den kollektiven Wind der massereichen Sterne im Inneren des Clusters gebildet wird. Diese ringförmige Struktur weist jedoch eine Ausbeulung auf, die in eine Richtung hinausragt und bisher nicht erklärt werden konnte.

Astronomen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg und ihre Kolleg:innen haben nun eine detaillierte Untersuchung der mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop gesammelten Daten durchgeführt, um Gammastrahlen mit Energien im Giga-Elektronenvolt-Bereich (GeV; 10⁹ eV) nachzuweisen. Ihre Ergebnisse, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, bieten einzigartige Einblicke in diese Struktur und bringen es mit einem Teilchen-Ausfluss aus der Umgebung von Westerlund 1 in Verbindung.

Eine neue Gammastrahlenquelle

Die Studie enthüllt die Existenz einer neuen GeV-Gammastrahlenquelle. Überraschenderweise befindet sich die neue Quelle versetzt zur TeV-Gammastrahlung, die um den Sternhaufen herum gefunden wurde – genau in Richtung der Ausbeulung, aber etwa 320 Lichtjahre entfernt. „Da jedoch die GeV- und TeV-Emission in Bezug auf ihr räumliches Erscheinungsbild und ihre Energiespektren nahtlos miteinander verbunden scheinen, glauben wir, dass sie einen gemeinsamen Ursprung haben“, erklärt Prof. Marianne Lemoine-Goumard von der Universität Bordeaux und Erstautorin der Studie.

Um mehr über den Ursprung der neuen Quelle zu erfahren, untersuchten die Forschenden die Dichte des interstellaren Mediums in dessen Umgebung. Anhand von Beobachtungen der 21-cm-Emissionslinie von Wasserstoff konnten sie ein Defizit in der Gasdichte feststellen, das mit der Position der Gammastrahlenquelle übereinstimmt. „Dies brachte uns auf die Idee, dass es sich um einen Ausfluss handelt – Material, das vom Sternhaufen aus der galaktischen Ebene herausgetrieben wird und in dieser Richtung einen Blase im interstellaren Medium erzeugt“, fügt Dr. Lars Mohrmann, Direktor der H.E.S.S.-Kollaboration und Co-Leiter der neuen Studie, hinzu.

Ein entstehender Ausfluss aus Westerlund 1

Eine Modellierung der beobachteten Gammastrahlenemission deutet darauf hin, dass sie sehr wahrscheinlich von kosmischen Elektronen stammt, die in der Nähe von Westerlund 1 durch einen Prozess namens inverse Compton-Streuung beschleunigt wurden. Das aus den Beobachtungen resultierende einheitliche Bild ist in Abb. 3 dargestellt: Die Superblase, die Westerlund 1 umgibt, dehnt sich aufgrund des Dichtegradienten des umgebenden Mediums asymmetrisch aus und beginnt, einen „entstehenden Ausfluss“ zu bilden. Es wird angenommen, dass die Elektronen an der Schockfront beschleunigt werden. „Da hochenergetische Elektronen ihre Energie schnell verlieren, erscheint die mit H.E.S.S. gemessene hochenergetische Gammastrahlung in der Nähe des Sternhaufens”, erklärt Lucia Härer, Doktorandin am MPIK, die das zugrunde liegende theoretische Modell entwickelt hat. „Elektronen mit niedrigerer Energie hingegen bewegen sich weiter und werden entlang des Ausflusses transportiert, bevor sie die mit dem Fermi-Teleskop detektierte Gammastrahlung emittieren.”

Während die gemessene Gammastrahlung höchstwahrscheinlich auf kosmische Elektronen zurückzuführen ist, argumentieren die Forschenden, dass diese Elektronen von anderen kosmischen Teilchen begleitet werden, insbesondere von Protonen und schwereren Atomkernen.

Sie gehen davon aus, dass der entstehende Ausfluss schließlich aus der galaktischen Scheibe ausbrechen und so einen Kanal für den Transport kosmischer Strahlung in den umgebenden galaktischen Halo öffnen wird. Die neue Arbeit präsentiert den ersten Beobachtungshinweis für ein solches Szenario und legt nahe, dass Teilchenausflüsse um junge massereiche Sternhaufen herum häufig vorkommen könnten. Da der Transport von kosmischer Strahlung aus der Scheibe in den Halo ein Prozess ist, der – obwohl er als entscheidend für die Entwicklung von Galaxien angesehen wird – keine direkte Beobachtungsbestätigung hat, sind diese Ergebnisse für viele Bereiche der Astronomie von Bedeutung.

Zukünftige Studien zur Gammastrahlung anderer junger massereicher Sternhaufen, beispielsweise mit dem Cherenkov Telescope Array Observatory, werden erforderlich sein, um die Frage zu beantworten, ob der beobachtete Ausfluss aus Westerlund 1 ein Sonderfall oder ein Blaupause für ein häufiges Szenario ist.

Originalpublikation:

A cosmic-ray loaded nascent outflow driven by a massive star cluster
Marianne Lemoine-Goumard, Lucia Härer, Lars Mohrmann, Romain Bernet, Jim Hinton, Giada Peron, Brian Reville, Luigi Tibaldo and Thibault Vieu
Nature Communications 16, Article number: 10820  (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65592-4