84 rätselhafte Röntgenquellen waren in Archivdaten verborgen

Ein Team um Mustafa Muhibullah hat in öffentlich zugänglichen Daten des NASA-Röntgenobservatoriums Chandra 84 leuchtkräftige, punktförmige Röntgenquellen identifiziert, die in herkömmlichen Durchmusterungen naher Galaxien weitgehend übersehen worden waren. Die Objekte werden als hypersofte Röntgenquellen (hypersoft X-ray sources, HSS) bezeichnet: Ihre Strahlung liegt fast vollständig bei extrem niedrigen Röntgenenergien, vor allem unter 0,3 keV. 3

Die Fundorte liegen in den Spiralgalaxien M31, der Andromedagalaxie, und M101, der Feuerradgalaxie, sowie in vier elliptischen Galaxien. Zunächst handelt es sich um eine beobachtungsdefinierte Klasse: Die Daten belegen das außergewöhnliche Energiespektrum, doch die physikalische Identität der einzelnen Quellen ist noch nicht geklärt. 3

Warum sie bislang verborgen blieben

Die meisten Röntgenquellen-Suchen konzentrieren sich auf höhere Energien. HSS verhalten sich genau umgekehrt: In Chandras energieärmstem Bereich treten sie deutlich hervor, in den üblichen energiereicheren Röntgenbildern sind sie dagegen schwach oder fehlen ganz. Definiert werden sie durch ihre dominante Emission unter 0,3 keV; das Verhältnis der Photonen zwischen 0,15 und 0,3 keV zu jenen zwischen 0,3 und 1,0 keV ist dabei außergewöhnlich hoch. 3

Zwei Effekte erschweren die Entdeckung:

• Am äußersten energiearmen Rand seines Messbereichs arbeitet Chandra mit begrenzter Empfindlichkeit.
• Die zu solchen weichen Spektren passende Ultraviolettstrahlung wird von interstellarem Wasserstoff und Helium stark absorbiert, bevor sie die Erde erreicht.

Dadurch entsteht eine Beobachtungslücke zwischen Röntgen- und Ultraviolettastronomie, in der eine Population leuchtkräftiger Quellen jahrelang verborgen geblieben sein könnte. Frühere Arbeiten mit Chandra stellten bereits fest, dass Quellen, die ausschließlich unter 0,3 keV strahlen, in Standardkatalogen und veröffentlichten Quellenlisten meist fehlen. 6

Was könnte diese Quellen antreiben?

Als wichtigste Erklärung gelten akkretierende Doppelsternsysteme. Dabei zieht ein kompaktes Objekt Gas von einem Begleitstern ab. Dieses kompakte Objekt könnte ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch sein. Beim Einfallen wird das Material erhitzt und kann vor allem extreme Ultraviolett- sowie ultrasofte Röntgenstrahlung erzeugen – statt der härteren Röntgenstrahlung, die man von vielen Röntgendoppelsternen kennt.

Aus den Chandra-Spektren werden Temperaturen von ungefähr 200.000 bis 250.000 °C abgeleitet. Das sind allerdings keine direkten Temperaturmessungen: Weil die Werte aus Daten am energiearmen Rand von Chandras Empfindlichkeit modelliert werden, hängen sie vom verwendeten Modell ab. Ein ähnliches hypersoftes Spektrum könnte somit durch unterschiedliche kompakte Objekte oder Akkretionszustände entstehen.

Relevanz für Supernovae und das Gas zwischen den Sternen

Sollte ein Teil der HSS aus Weißen Zwergen bestehen, die kontinuierlich Masse von einem Begleiter aufnehmen, könnten sie Systeme markieren, die sich den Bedingungen für eine Typ-Ia-Supernova nähern. Welche Doppelsternsysteme tatsächlich zu solchen Explosionen führen, ist in der Sternforschung weiterhin eine zentrale offene Frage.

Auch ihre vermutete Ultraviolettstrahlung könnte über die jeweiligen Doppelsternsysteme hinaus wichtig sein. UV-Photonen ionisieren das umgebende interstellare Gas. Das verändert dessen Chemie und Abkühlung – Prozesse, die beeinflussen, wie sich Gas in Galaxien verhält. Nach Angaben der NASA könnten die neu entdeckten Quellen deshalb sowohl für die Suche nach Vorläufern von Typ-Ia-Supernovae als auch für die Ionisierung interstellaren Gases relevant sein.

Hubble soll die Deutung überprüfen

Der nächste entscheidende Schritt ist ein Test der aus den Chandra-Daten abgeleiteten UV-Strahlung. Geplante Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble sollen bei ausgewählten HSS nach ultravioletten Gegenstücken suchen oder deren Helligkeit begrenzen. Das liefert eine unabhängige Prüfung der aus den ultrasoften Röntgenspektren hochgerechneten Energieabgabe.

Zusammen mit Röntgenhelligkeit, zeitlichen Helligkeitsschwankungen, lokaler Umgebung und möglichen Begleitsternen könnten die UV-Daten helfen, Systeme mit Weißen Zwergen von solchen mit Neutronensternen oder Schwarzen Löchern zu unterscheiden. Sie könnten auch klären, ob hypersofte Röntgenquellen eine einheitliche Objektklasse sind – oder eine gemeinsame Bezeichnung für mehrere Arten kompakter Doppelsternsysteme mit derselben ungewöhnlichen Energiesignatur.