eROSITA enthüllt Abweichungen in Temperatur und Form unserer Local Hot Bubble
Unser Sonnensystem befindet sich in einer Umgebung mit geringer Dichte, der so genannten Local Hot Bubble (LHB), die von einem dünnen, Millionen Grad heißen Gas ausgefüllt ist, das vorwiegend schwache Röntgenstrahlung strahlt. Ein Forscherteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) nutzte die Daten des eROSITA-All-Sky-Surveys und fand in dieser Blase einen großräumigen Temperaturgradienten, der möglicherweise mit vergangenen Supernova-Explosionen zusammenhängt, die die Blase ausdehnten und wieder aufheizten. Die Fülle der eROSITA-Daten ermöglichte es dem Team zudem, ein neues 3D-Modell des heißen Gases in der Umgebung der Sonne zu erstellen. Der Höhepunkt dieser Arbeit ist die Entdeckung eines neuen interstellaren Tunnels in Richtung des Sternbilds Centaurus, der möglicherweise unsere LHB mit einer benachbarten Superblase verbindet.
Die Idee der „Local Hot Bubble“ gibt es bereits seit etwa einem halben Jahrhundert. Sie wurde zuerst entwickelt, um die allgegenwärtige Röntgenhintergrundstrahlung unter 0,2 keV zu erklären. Photonen dieser Energie können im interstellaren Medium nicht sehr weit reisen, bevor sie absorbiert werden. In Verbindung mit der Beobachtung, dass es in unserer unmittelbaren Umgebung so gut wie keinen interstellaren Staub gibt, entstand die Theorie, dass ein weiches, Röntgenstrahlen emittierendes Plasma die neutralen Materialien in der Sonnenumgebung verdrängt und die „Local Hot Bubble“ bildet.
Dieses Verständnis unserer unmittelbaren Umgebung war nicht ohne Herausforderungen, insbesondere nach der Entdeckung des Ladungsaustauschprozesses des Sonnenwindes im Jahr 1996 - einer Wechselwirkung zwischen den Ionen des Sonnenwindes und neutralen Atomen in der Geosphäre der Erde und der Heliosphäre, die Röntgenstrahlen mit ähnlichen Energien wie die LHB aussendet. Nach jahrelangen Analysen ist man sich nun einig, dass beide zur weichen Röntgenhintergrundstrahlung beitragen und die LHB existieren muss, um die Beobachtungen zu erklären.
Das eROSITA-Teleskop ist das erste Röntgenobservatorium, das den Himmel von einer Umlaufbahn aus beobachtet, die sich vollständig außerhalb der Geosphäre der Erde befindet, um deren Einfluss zu vermeiden. Außerdem fiel der Zeitpunkt des ersten eROSITA-All-Sky-Surveys (eRASS1) mit dem Sonnenminimum zusammen, wodurch die Kontamination durch den Ladungsaustausch des Sonnenwindes in der Heliosphäre erheblich reduziert wurde. "Mit anderen Worten: Die in diesem Jahr veröffentlichten eRASS1-Daten bieten den bisher saubersten Blick auf den Röntgenhimmel und sind damit das perfekte Instrument für die Untersuchung der LHB“, sagt Michael Yeung vom MPE, der Hauptautor dieser Arbeit.
eROSITAs beispiellose Röntgenbeobachtungen
Das Team teilte die westliche galaktische Hemisphäre in etwa 2000 Regionen ein und extrahierte und analysierte die Spektren aus jeder Region. Sie nutzten auch Daten von ROSAT, dem Vorgänger von eROSITA, der ebenfalls vom MPE gebaut wurde und die eROSITA-Spektren bei Energien unter 0,2 keV ergänzt. Sie fanden eine klare Temperaturverteilung in der LHB, wobei der galaktische Süden (0,12 keV; 1,4 MK) etwas heißer ist als der galaktische Norden (0,10 keV; 1,2 MK). Dieses Merkmal könnte durch die neuesten numerischen Simulationen der LHB erklärt werden, die durch Supernova-Explosionen in den letzten Millionen Jahren verursacht wurden.
Die Spektren des diffusen Röntgenhintergrunds geben den Wissenschaftlern nicht nur Aufschluss über die Temperatur, sondern auch über die 3D-Struktur des heißen Gases. Frühere Arbeiten desselben Teams haben ergeben, dass die Dichte der LHB relativ gleichmäßig ist, indem sie die Dichte des heißen Gases mit Sichtlinien zu riesigen Molekülwolken auf der Oberfläche der LHB kalibriert haben. Auf Grundlage dieser Annahme erstellten sie ein neues 3D-Modell der LHB aus der gemessenen Intensität der LHB-Emission in jeder Sichtlinie. Sie fanden heraus, dass die LHB erwartungsgemäß eine größere Ausdehnung in Richtung der galaktischen Pole hat, da das heiße Gas es vorzieht, sich in die Richtung des geringsten Widerstands auszudehnen, also weg von der galaktischen Scheibe.
„Dies ist nicht überraschend, da dies bereits bei der ROSAT-Durchmusterung festgestellt wurde“, so Michael Freyberg, einer der Hauptautoren dieser Arbeit, der bereits vor drei Jahrzehnten an den Pionierarbeiten im Rahmen der ROSAT-Ära beteiligt war. "Was wir nicht wussten, war die Existenz eines interstellaren Tunnels in Richtung Centaurus, der eine Lücke in das kühlere interstellare Medium (ISM) reißt. Diese Region hebt sich dank der deutlich verbesserten Empfindlichkeit von eROSITA und einer im Vergleich zu ROSAT völlig anderen Vermessungsstrategie deutlich ab“, fügt Freyberg hinzu. Die Autoren vermuten, dass der Centaurus-Tunnel nur ein lokales Beispiel für ein breiteres Netzwerk aus heißem ISM sein könnte, das durch stellare Rückkopplung in der gesamten Galaxis aufrechterhalten wird - eine populäre Idee aus den 70er Jahren, die allerdings nur schwer zu beweisen ist.
Ein 3D-Modell der Sonnenumgebung
Zusätzlich zum 3D-Modell der LHB stellte das Team eine Liste bekannter Supernova-Überreste, Superblasen und 3D-Staubinformationen aus der Literatur zusammen und erstellte ein interaktives 3D-Modell der Sonnenumgebung. Einige Merkmale der LHB ließen sich anhand dieser Darstellung leicht erkennen, beispielsweise der bekannte Canis-Majoris-Tunnel auf der galaktischen Scheibe, der die LHB möglicherweise mit dem Gum-Nebel oder einer anderen Superblase (genannt GSH238+00+09) verbindet, sowie dichte Molekülwolken (in orange), die nahe der Oberfläche der LHB in Richtung des galaktischen Zentrums (GC) liegen. Neuere Arbeiten haben ergeben, dass diese Wolken Geschwindigkeiten in radialer Richtung (von uns weg) aufweisen. Die Lage und die Geschwindigkeit der Wolken könnten erklärt werden, wenn sie durch die Kondensation von aufgewirbeltem Material während der frühen Phase der LHB-Bildung entstanden sind. Eine weitere interessante Tatsache ist, dass die Sonne vor einigen Millionen Jahren in die LHB eingedrungen sein muss, eine kurze Zeit im Vergleich zum Alter der Sonne“, bemerkt Gabriele Ponti, einer der Mitautoren dieser Arbeit. "Es ist reiner Zufall, dass die Sonne eine relativ zentrale Position in der LHB einzunehmen scheint, während wir uns kontinuierlich durch die Milchstraße bewegen."
