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Positronen-Überschuss bleibt rätselhaft
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
astronews.com
24. November 2017
2008 wurde von einem Satelliten-Instrument ein
überraschender Überschuss von Positronen im Erdorbit gemessen. Bis heute fehlt
dafür eine Erklärung. Als Quelle wurden unter anderem Zerfallsprozesse von
Partikeln der Dunklen Materie diskutiert oder aber nahegelegene Pulsare.
Beobachtungen ergaben nun, dass zwei nahe Pulsare nicht für den
Positronen-Überschuss verantwortlich sein können.
Weitwinkelbild der Region um die beiden
verdächtigten Pulsare im höchstenergetischen
Gammalicht. Geminga erscheint etwa fünf Mal so
groß wie der Vollmond.
Bild: HAWC-Kollaboration [Großansicht] |
Mit dem HAWC-Observatorium in Mexiko gelang einem internationalen
Wissenschaftlerteam der erste Weitwinkelblick im extrem energiereichen Licht auf
die Umgebung von zwei schnell rotierenden Sternen, sogenannten Pulsaren. Demnach
können diese beiden trotz ihrer in kosmischen Maßstäben geringen Entfernung wohl
nicht für den mysteriösen Überschuss an Antiteilchen verantwortlich sein, der im
Erdorbit beobachtet wird.
Ein Satelliten-Instrument hat 2008 unerwartet viele Positronen – die
Antiteilchen der Elektronen –gemessen und damit einige Aufregung unter
Wissenschaftlern verursacht. Diese überraschende Beobachtung haben andere
Detektoren betätigt, etwa an Bord der internationalen Raumstation ISS (astronews.com
berichtete). Woher
diese Positronen kommen, ist bis heute ungeklärt. Die Vermutungen reichen von
noch unbekannten Prozessen mit Dunkler Materie bis hin zu – nach kosmischen
Maßstäben – nahen, mittelalten Pulsaren als Quellen.
Pulsare sind sehr schnell rotierende Neutronensterne, also die kompakten
Überreste explodierter massereicher Sterne. Entlang der Achse ihres Magnetfelds
schleudern sie energiereiche Teilchen ins All. Die Wissenschaftler der
HAWC-Kollaboration haben nun mit ihrem Gammastrahlen-Observatorium High
Altitude Water Cherenkov Detector (HAWC) zwei der verdächtigten Pulsare,
Geminga und PSR B0656+14, samt ihrer Umgebung ins Visier genommen und die Form
dieser Objekte im höchstenergetischen Gammalicht – rund 10 Billionen Mal
energiereicher als sichtbares Licht – sowie ihr Energiespektrum detailliert
vermessen. Die Ergebnisse sprechen Geminga und PSR B0656+14 frei.
"Die mit HAWC gemessenen Gammastrahlen bestätigen, dass aus der Umgebung der
beiden Pulsare energiereiche Positronen entkommen, aber unsere Analyse ihrer
Ausbreitung zeigt auch klar, dass sie keinen wesentlichen Beitrag zum
beobachteten Positronen-Überschuss leisten können", erläutert Rubén López-Coto
vom Max-Planck-Institut für Kernphysik, der an der Studie beteiligt war. Die von
den beiden Pulsaren ins All geschleuderten Teilchen sind viel langsamer als
erwartet und können die Erde deshalb nicht erreichen. "Das hat möglicherweise
erhebliche Auswirkungen auf unser generelles Verständnis der kosmischen
Strahlung", ergänzt Jim Hinton, der am MPI für Kernphysik die Abteilung
"Nichtthermische Astrophysik" leitet.
Das HAWC-Observatorium steht auf etwa 4100 Metern Höhe an der Flanke des
Vulkans Sierra Negra im Nationalpark Pico de Orizaba, Mexiko. Es besteht aus 300
dicht beieinander stehenden Tanks mit je 7,3 Metern Durchmesser und einer Höhe
von 4,5 Metern, die mit hochreinem Wasser gefüllt sind.
Wenn höchstenergetisches Gammalicht auf die Lufthülle der Erde trifft,
zerschlägt es dort Atome, sodass Kaskaden von Elementarteilchen, sogenannte
Teilchenschauer, entstehen. Diese Teilchen erzeugen in den Wassertanks blaue
Lichtblitze, die von empfindlichen Lichtsensoren registriert werden. Daraus
können die Forscher Energie und Herkunftsrichtung des ursprünglichen
Gammastrahls ableiten. Trägt man die Herkunft aller beobachteten Gammastrahlen
in eine Himmelskarte ein, entstehen Bilder der einzelnen
Gammastrahlungs-Quellen.
Dazu zählen die Überreste explodierter Sterne; allerdings kommt das
höchstenergetische Gammalicht nicht von den Sternleichen direkt. Vielmehr
entsteht es in ihrem "Trümmerfeld", wenn extrem beschleunigte Teilchen auf
niederenergetisches Licht treffen. Die Größe dieses "Trümmerfelds" – der
Himmelsbereich, der im höchstenergetischen Gammalicht hell leuchtet – hängt
davon ab, wie schnell sich die Materie von ihrem kosmischen Beschleuniger
entfernt.
So konnten die HAWC-Wissenschaftler abschätzen, wie viele Positronen von den
beiden Pulsaren die Erde erreicht haben könnten. Entscheidend für die Messungen
war der Weitwinkelblick von HAWC, das diese ausgedehnten Gammaquellen als Ganzes
erfassen kann. Nur so lässt sich die Ausbreitung der Teilchen direkt bestimmen.
Teleskopsysteme wie etwa H.E.S.S. haben dafür ein zu kleines Sichtfeld.
"Diese Messung illustriert schön, welches große Potenzial die Methode von
HAWC – die Schauerteilchen am Boden nachzuweisen – für die
Gammastrahlen-Astronomie hat. Sie ergänzt hervorragend die Möglichkeiten von
Tscherenkow-Teleskopen", unterstreicht Hinton.
Auch wenn die beiden verdächtigten Pulsare unschuldig sind, ist es immer noch
möglich, dass andere Pulsare für den mysteriösen Positronen-Überschuss
verantwortlich sind. Deshalb wird HAWC weiterhin diese Objekte beobachten. Mit
dem erweiterten Instrument und fortgeschrittenen Analysetechniken wird sich ein
detailreicherer Blick darauf ergeben.
Der HAWC-Kollaboration gehören insgesamt 34 Institute aus Mexiko, den USA und
Europa an. Das MPI für Kernphysik ist als einziges deutsches Institut an HAWC
beteiligt. Es wirkt maßgeblich an der Erweiterung des Detektorfelds mit
sogenannten Outrigger-Tanks mit. Das sind kleinere Wassertanks, die derzeit in
lockerer Anordnung um die großen Tanks herum aufgebaut werden. Sie verbessern
ganz wesentlich die Charakterisierung von Teilchenschauern, die im Randbereich
des Haupt-Detektorfelds auftreffen. Das betrifft insbesondere die höchsten von
HAWC beobachtbaren Energien, die von überragender Bedeutung für die Erforschung
von Gammaquellen sind.
Über die Beobachtungen und Schlussfolgerungen berichten die Wissenschaftler
in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Science erschienen ist.
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