Extreme Stoßwellen im Universum: Auswirkungen auf die Entwicklung kosmischer Strukturen

Visualisierung einer kosmischen Stoßwelle Kappa Cassiopeia — Shockwave von Kappa Cassiopeia. Der rote Bogen in diesem vom Spitzer-Weltraumteleskop (NASA) aufgenommenen Infrarotbild ist eine riesige Schockwelle, die durch den Unterschied in der Bewegungsgeschwindigkeit des Sterns Kappa Cassiopeiae (dem Stern in der Mitte des Bogens) im Vergleich zu seinen Nachbarn entsteht. Bildquelle:NASA/JPL-Caltech (neues Fenster)

Kosmische Schockwellen

DERkosmische Schockwellensind Kompressionsfronten von Materie und Magnetfeldern, die durch energiereiche Ereignisse wie Supernovae-Explosionen, Kollisionen von Galaxienhaufen oder Jets von Schwarzen Löchern erzeugt werden. Diese Wellen transportieren Energie über enorme Distanzen und sind aktiv an der großräumigen Strukturierung des Universums beteiligt.

Wenn sich ein massereicher Stern mit hoher Geschwindigkeit durch das interstellare Medium (ISM) bewegt, kann er die Schallgeschwindigkeit im umgebenden Gas überschreiten. Dadurch entsteht auch eine Stoßwelle vom Typ „Bogenstoß“ (in Form eines Bogens vor dem Stern). Der Stern verhält sich im ISM wie ein „Boot“, das Gas und Staub herumtreibt.

Bei Kappa Cassiopeiae, einem hypermassereichen blauen Überriesen, führt die Bewegung mit hoher Geschwindigkeit (oft einige Dutzend km/s) zu einer Kompression des interstellaren Gases, die durch die Emission von durch Sternstrahlung erhitzten Staubkörnern und durch die Stoßwelle beschleunigten Partikeln im Infrarot- oder Radiobereich sichtbar wird.

Mechanik und Ausbreitung von Stoßwellen

Die Front einer Stoßwelle ist durch plötzliche Schwankungen in Dichte, Druck und Geschwindigkeit gekennzeichnet. In einem astrophysikalischen Medium kann die Wellengeschwindigkeit je nach Dichte des Mediums und Energie des Ereignisses mehrere tausend km/s erreichen. Die Ausbreitung folgt den hydrodynamischen und magnetohydrodynamischen (MHD) Gleichungen und kann Teilchen auf relativistische Energien beschleunigen.

Auswirkungen auf die Strukturbildung

Stoßwellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Galaxienhaufen, kosmischen Filamenten und bei der Verstärkung magnetischer Felder. Sie fördern außerdem die Kondensation intergalaktischen Gases und können in bestimmten Regionen die Entstehung von Sternen auslösen.

Tabelle: Beispiele beobachteter Stoßwellen

Wichtigste kosmische und stellare Stoßwellenphänomene
Shockwave-Name	Quelltyp	Distanz	Geschätzte Geschwindigkeit (km/s)	Beobachtung
Kugelcluster	Clusterkollision	1000 Mpc	4500	Chandra, Hubble
Abell 3667	Galaxienhaufen	220 Mpc	2500	Radio VLA
Supernova SN 1006	Supernova	2,2 kpc	5000	Chandra, XMM-Newton
Perseus-Cluster	Galaxienhaufen	78 Mpc	1500	Chandra
Tarantel-Schockwelle	Massive Cluster und Supernovae	50 kpc	1000–2000	Hubble, Chandra, ALMA
Kappa Cassiopeiae	Massiver Star in Bewegung	0,4 Stk	30–40	IR – Spitzer, WISE
Zeta Ophiuchi	Massiver Star in Bewegung	0,16 Stk	24	IR–Spitzer
BD+43°3654	Massiver Star in Bewegung	0,5 Stk	60	IR–Spitzer
AE Aurigae	Massiver Star in Bewegung	0,2 Stk	100	IR – Spitzer, Hubble
Mu Columbae	Massiver Star in Bewegung	0,15 Stk	100	IR–Spitzer

Quelle:Chandra-Röntgenobservatorium (neues Fenster), ESO – Europäische Südsternwarte (neues Fenster), UndSpitzer-Weltraumteleskop (neues Fenster).

Tarantelnebel (30 Doradus)

Tarantel-Schockwelle — Stoßwelle im Tarantelnebel, beobachtet im Röntgenlicht des Chandra-Röntgenteleskops und im Infrarotlicht des Spitzer-Weltraumteleskops. Bildquelle:NASA/CXC/PSU/L. Townsley et al. ; Infrarot: NASA/JPL/PSU/L. Townsley et al. (neues Fenster)

Stoßwelle aus dem Tarantelnebel

Der Tarantelnebel liegt in der Großen Magellanschen Wolke etwa 50 kpc von der Erde entfernt und ist eine der aktivsten Sternentstehungsregionen in der galaktischen Nachbarschaft. Es ist die Heimat des riesigen SternhaufensR136, bestehend aus extrem leuchtenden OB-Sternen und Überriesen.

Die intensive Aktivität dieser Sterne erzeugt in Kombination mit jüngsten Supernovae-Explosionen eineriesige Schockwelledie sich im umgebenden interstellaren Medium ausbreitet. Diese Welle komprimiert und erhitzt das Gas und fördert so die EmissionIR (hochspannungs-Gleichstrom), X und Radio. Seine Geschwindigkeit wird auf 1000 bis 2000 km/s geschätzt und seine Struktur kann sich über mehrere Dutzend Parsec erstrecken.

Hinweis::
Die Tarantula-Stoßwelle veranschaulicht, wie eine sehr aktive Umgebung großräumige Kompressionsfronten erzeugen kann, die in kleinerem Maßstab mit Stoßwellen in Galaxienhaufen vergleichbar sind.

Galaxie-Wagenrad

Galaxy Cartwheel Shockwave — Die Form der Cartwheel-Galaxie liegt etwa 500 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Bildhauer und ist das Ergebnis einer heftigen galaktischen Kollision. Eine kleinere Galaxie durchquerte eine große Scheibengalaxie und erzeugte Stoßwellen, die Gas und Staub aufwirbelten – ähnlich den Wellen, die ein in einen See fallender Stein erzeugt – und Regionen intensiver Sternentstehung auslösten (die blau erscheinen). Der äußerste Ring der Galaxie, 1,5-mal größer als unsere Milchstraße, markiert die Vorderkante der Schockwelle. Bildquelle:ESA/Hubble und NASA (neues Fenster)

Cartwheel Galaxy Shockwave

Die GalaxieWagenrad, etwa 500 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Bildhauer gelegen, hat eine bemerkenswerte ringförmige Morphologie, das Ergebnis einerFrontalaufprall mit einer kleineren kompakten Galaxie. Dieses Ereignis erzeugte eineradiale Stoßwelledie sich mit einer geschätzten Geschwindigkeit von 100–200 km/s durch die Scheibe der Galaxie ausbreitet.

Diese Stoßwelle konzentriert das interstellare Gas und löst es ausintensive Sternentstehungentlang des Rings, sichtbar im optischen Licht und im Röntgenlicht. Die Verteilung dieser HII-Regionen folgt genau der Ausbreitung der Dichtewelle.

Physikalisch gesehen verhält sich die Welle wie eineKompressionswelle des interstellaren Mediums, ähnlich den Dichtefronten in Spiralgalaxien, hier jedoch verstärkt durch den frontalen Gravitationseinschlag. Die beobachtete Dynamik ermöglicht es, das Verhalten des Gases unter extremen Bedingungen zu untersuchen und großräumige Modelle zur Ausbreitung von Dichtewellen zu testen.

Hinweis::
Der helle Ring der Cartwheel-Galaxie ist das direkte Ergebnis der Schockwelle, die sich in der galaktischen Scheibe ausbreitet, und zeigt, dass die Gravitationswechselwirkung eine Triebfeder für die Entstehung großräumiger Sterne ist.