Astronomen haben bei der Beobachtung eines der Erde am nächsten gelegenen Neutronensterns etwas entdeckt. Dieses Etwas könnte die Lösung für ein lange bestehendes Rätsel um die Menge an Antimaterie in unserer Nachbarschaft sein. Die Ergebnisse ihrer Forschung veröffentlichten die Astronomen im Wissenschaftsmagazin „Physical Review D“.
In ihrer Studie beschrieben die Forscher, wie sie einen Pulsar, einen schnell rotierenden Neutronenstern, beobachteten. Sie hatten dazu ihre Geräte auf den Pulsar „Geminga“ gerichtet, bei dem ein seltsamer Halo – ein durch Reflexion, Beugung und Brechung von Lichtstrahlen an kleinsten Teilchen hervorgerufener Hof um eine Lichtquelle – entdeckt wurde. Der Halo selbst ist für Menschen unsichtbar, da das menschliche Auge Gammawellen nicht wahrnehmen kann.
“Unsere Analyse spricht dafür, dass gerade dieser Pulsar verantwortlich für das seit Jahrzehnten bestehende Rätsel sein könnte, warum ein bestimmter Typ von kosmischen Teilchen in Erdnähe ungewöhnlich häufig vorkommt”, sagte Mattia Di Mauro, ein Astrophysiker von der Catholic University of America in Washington und dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). “Es handelt sich dabei um Positronen (die Antimaterie-Version von Elektronen), die von irgendwo jenseits des Sonnensystems stammen.”
Die Geheimnisse der Pulsare
Ein Neutronenstern ist der kollabierte Kern, der zurückbleibt, wenn ein massereicher Stern seinen Brennstoff aufgebraucht hat, unter seinem eigenen Gewicht kollabiert und als Supernova explodiert. Manche Neutronensterne sehen wir als Pulsare – schnell rotierende Objekte, die elektromagnetische Strahlung ähnlich wie ein Leuchtturm abgeben, welche regelmäßig unsere Sichtlinie überstreicht.
Geminga befindet sich im Sternbild Zwillinge und ist einer der hellsten Pulsare mit Gammawellen. Wie viele andere Pulsare ist auch Geminga das Ergebnis einer Supernova, die vor rund 300.000 Jahren explodiert war. Dabei ist es außerdem ein rotierender Neutronenstern, dessen Energie unter anderem auf die Erde gerichtet ist.
Da ein Neutronenstern zudem ein starkes elektromagnetisches Feld aufweist, wird der Pulsar von einer Wolke aus Elektronen und Positionen umgeben. Dabei wirkt das Feld als eine Art Beschleuniger, der die Teilchen von der Oberfläche des Sterns zieht und sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringt.
Diese sich schnell bewegenden Teilchen, darunter Elektronen und ihre antimateriellen Gegensätze, die Positronen, machen die kosmische Strahlung aus, die wiederrum dem Einfluss von Magnetfeldern ausgesetzt ist. Wenn die Strahlung die Erde erreicht, sind die Astronomen nicht mehr in der Lage, ihren Ursprung zu orten.
Deshalb konnten Forscher in der Vergangenheit zwar viele Positronen erkennen, sie allerdings nicht direkt zu ihren Quellen zurückverfolgen. Wissenschaftler spekulierten, Pulsare wie Geminga wären ihre Quelle, konnten das aber durch die Art und Weise, in der Positronen durch Magnetfelder beeinflusst werden, nicht beweisen.
Der erwartete Beweis des Halo
Der Durchbruch kam schließlich im Jahr 2017. Das High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory (HAWC) bestätigte die Vermutungen der Forscher: Geminga umgab ein kleiner, aber intensiver Halo aus Gammastrahlen.
Ursprünglich waren die Wissenschaftler der Ansicht, dass so ein Halo entsteht, wenn beschleunigte Elektronen und Positronen mit nahem Sternlicht kollidieren.
Ausgehend von der Größe des Halos schlussfolgerte das HAWC-Team, dass Geminga-Positronen aus diesem Energiebereich nur selten die Erde erreichen. Also suchten die Wissenschaftler nach einer anderen Erklärung für die Positronen in Erdnähe.
Später jedoch versuchten die Forscher durch ein Teleskop, das Teilchen mit geringer Energie erfasst, den Pulsar zu beobachten. Und dabei bemerkten sie, dass die Positronteilchen tatsächlich auch von dem Pulsar stammen. Nach ihren Berechnungen könnten sogar 20 Prozent der Teilchen auf das Konto von Geminga gehen. Dies entspricht auch den Ergebnissen des HAWC in Mexiko.
Geminga befindet sich im Sternbild Zwillinge und ist einer der hellsten Pulsare mit Gammawellen. Wie viele andere Pulsare ist auch Geminga das Ergebnis einer Supernova, die vor rund 300.000 Jahren explodiert war. Dabei ist es außerdem ein rotierender Neutronenstern, dessen Energie unter anderem auf die Erde gerichtet ist.
Da ein Neutronenstern zudem ein starkes elektromagnetisches Feld aufweist, wird der Pulsar von einer Wolke aus Elektronen und Positionen umgeben. Dabei wirkt das Feld als eine Art Beschleuniger, der die Teilchen von der Oberfläche des Sterns zieht und sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringt.
Diese sich schnell bewegenden Teilchen, darunter Elektronen und ihre antimateriellen Gegensätze, die Positronen, machen die kosmische Strahlung aus, die wiederrum dem Einfluss von Magnetfeldern ausgesetzt ist. Wenn die Strahlung die Erde erreicht, sind die Astronomen nicht mehr in der Lage, ihren Ursprung zu orten.
Deshalb konnten Forscher in der Vergangenheit zwar viele Positronen erkennen, sie allerdings nicht direkt zu ihren Quellen zurückverfolgen. Wissenschaftler spekulierten, Pulsare wie Geminga wären ihre Quelle, konnten das aber durch die Art und Weise, in der Positronen durch Magnetfelder beeinflusst werden, nicht beweisen.
Der erwartete Beweis des Halo
Der Durchbruch kam schließlich im Jahr 2017. Das High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory (HAWC) bestätigte die Vermutungen der Forscher: Geminga umgab ein kleiner, aber intensiver Halo aus Gammastrahlen.
Ursprünglich waren die Wissenschaftler der Ansicht, dass so ein Halo entsteht, wenn beschleunigte Elektronen und Positronen mit nahem Sternlicht kollidieren.
Ausgehend von der Größe des Halos schlussfolgerte das HAWC-Team, dass Geminga-Positronen aus diesem Energiebereich nur selten die Erde erreichen. Also suchten die Wissenschaftler nach einer anderen Erklärung für die Positronen in Erdnähe.
Später jedoch versuchten die Forscher durch ein Teleskop, das Teilchen mit geringer Energie erfasst, den Pulsar zu beobachten. Und dabei bemerkten sie, dass die Positronteilchen tatsächlich auch von dem Pulsar stammen. Nach ihren Berechnungen könnten sogar 20 Prozent der Teilchen auf das Konto von Geminga gehen. Dies entspricht auch den Ergebnissen des HAWC in Mexiko.
„Energieärmere Teilchen entfernen sich viel weiter von dem Pulsar, bevor sie auf Sternlicht treffen, einen Teil ihrer Energie auf selbiges übertragen und das Licht in den Gammabereich bringen. Deswegen bedeckt die Gammaemission bei geringen Energien ein größeres Gebiet”, erklärte die Co-Autorin Fiorenza Donato vom National Institute of Nuclear Physics und der University of Turin (Italien).
Deshalb behaupten die Wissenschaftler, dass Pulsare nach wie vor die beste Erklärung für das Rätsel sind, woher die Positronen in der Erdnähe entstammen.
„Unsere Arbeit zeigt die Bedeutung der Untersuchung einzelner Quellen, um vorherzusagen, wie sie zu kosmischen Strahlen beitragen”, sagte Di Mauro. „Das ist ein Aspekt des aufregenden neuen Fachgebietes der Multimessenger-Astronomie, bei der das Universum neben Licht auch durch verschiedenartige Signale wie kosmische Strahlen erforscht wird.“
dg/gs
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