Simulation orbitaler Lichtkurven von massiven stellaren Binärsystemen bei hohen Energie

Massive Binärsysteme sind stellar Systeme, welche massereiche leuchtkräftige Sterne enthalten und ausgeprägte Winde besitzen. Solche Systeme wurden vor kurzem auch im Gammastrahlenbereich detektiert, bis zu TeV- Energien. Das vorgeschlagene Projekt hat das Verständnis der Physik der Hochenergieemission von massiven stellaren Binärsystemen als Ziel, insbesondere die Rolle relativistischer Hadronen in diesen Systemen. Essentiell ist hier das Extrahieren von Information, die in den orbital variierenden Lichtkurven und phasenaufgelösten Spektren kodiert ist, und welche von erd- und weltraumgebundenen Hochleistungsinstrumenten und experimenten beobachtet werden. Zu diesem Zweck wird hier die Entwicklung eines zeitabhängigen Teilchenpropagations- und Emissionscodes vorgeschlagen, welcher es erlauben wird, die Hochenergielichtkurven und spektren mit hoher Präzession zu modellieren, und die bisher benutzte Approximation eines stationären Falles erweitert. Als Resultat werden aussagekräftige Limits für die relativistische Teilchenpopulation und Teilchenbeschleunigungsszenarien in der Umgebung von massiven Sternen erwartet, als auch wichtige Implikationen für die Rolle der massiven stellaren Binärsystemen als Quellen der galaktischen kosmischen Strahlung und ihrer erwarteten Neutrinoemission.

Binärsysteme massereicher Sterne sind stellare Systeme bestehend aus leuchtkräftigen Sternen mit ausgeprägten Winden. Wenn diese Winde kollidieren, bilden sie eine durch zwei Schocks abgegrenzte Kollisionsregion. Dort erwartet man die Beschleunigung von Windteilchen zu sehr hohen (relativistischen) Energien. Einige dieser Binärsysteme wurden nicht nur vom Radiowellen- bis Röntgenenergiebereich detektiert, sondern bis hinein in den Gammastrahlenenergiebereich. Dieses Projekt trug dazu bei, ein tieferes Verständnis der Physik der Hochenergie-Emission aus massereichen Binärsystemen zu erlangen mit besonderer Gewichtung auf die Rolle von relativistischen Protonen (kosmischer Strahlung) hierbei.Zu diesem Zweck wurden zwei Simulationsprogramme entwickelt. Zum einen kombinierten wir eine Beschreibung der Dynamik des magnetisierten Windfluids mit einer kinetischen Beschreibung für den Transport und die Emission von relativistischen Teilchen. Zum anderen verfolgten wir individuelle Protonen auf ihrem Beschleunigungsweg innerhalb des dynamisch entwickelten, magnetisierten Windfluids mit Hilfe einer modifizierten Monte Carlo Methode.Die Resultate unserer Simulationen zeigten eine Neigung zu signifikanten Variationen in den Hochenergie-Emissionsspektren solcher Binärsysteme mit stark elliptischen Bahnen. Die Spektren können mehrere Emissionskomponenten in Zeiten geringer Sternenseparation aufweisen, wogegen in den längeren Perioden großer Sternenseparation eher nur eine Emissionskomponente auftritt. Die Detektion von Gammastrahlung aus engen Binärsystemen favorisiert die Involvierung von Protonen im Produktionsprozess dieser Photonen. Während des Beschleunigungsprozesses von Protonen in dieser Umgebung ist der durch die kosmische Strahlung aufgebaute Druck auf die Dynamik der Schockfronten zu berücksichtigen. Die Effizienz von Teilchenbeschleunigung und injektion variiert mit hoher Wahrscheinlichkeit entlang der Schockfronten. Unsere Resultate werden Strategien zur Beobachtung von kollidierenden Sternwinden mit dem derzeit errichteten Cherenkov Telescope Array beeinflussen.