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FORSCHUNG AKTUELL: ASTROPHYSIK: WOHER STAMMT DIE ANTIMATERIE?


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 8/2018 vom 21.07.2018

Aus dem All erreichen uns unerwartet viele Positronen. Stammen sie von Pulsaren oder Dunkler Materie? Neue Messungen sprechen für Letzteres.


►Unablässig prasseln Partikel aus dem Weltall auf die Erde, zumeist Protonen. Ab und zu findet sich darunter neben anderen Teilchen aber auch ein Positron – das Antiteilchen des Elektrons. Es entsteht, wenn ein Proton mit einem Atomkern im interstellaren Raum zusammenprallt. Als Forscher allerdings das tatsächliche Vorkommen dieser Positronen näher untersuchten, fanden sie deutlich mehr davon, als sie erwartet hatten.

Der unerwartete Überschuss deutete sich bereits ...

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... bei Experimenten mit Ballons Mitte der 1990er Jahre an. Diese waren mit Spektrometern bestückt und detektierten die Antiteilchen in den oberen Atmosphärenschichten. Offenkundig wurde die Sache, als italienische Forscher 2008 die Daten des Detektors PAMELA auswerteten, der auf einem russischen Satelliten in unserem Orbit reiste. Schließlich bestätigte das seit 2011 auf der Internationalen Raumstation installierte Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS), der größte je im All stationierte Teilchendetektor, das überraschende Resultat endgültig: Es fand sogar mehr hochenergetische Positronen als solche mit niedriger Energie. Das wäre völlig unerklärlich, wenn diese nur durch Kollisionen von Protonen mit anderen Kernen entstehen würden.

Antimaterie ist im Universum sehr selten: Alle Relikte vom Urknall sind schon lange verschwunden, da sie überdie Zeit mit gewöhnlicher Materie zusammengestoßen sind, wobei sich beide gegenseitig vernichtet haben. Deshalb stammen auf der Erde gemessene Antiteilchen aus unserer näheren kosmischen Umgebung.

Insbesondere haben Astrophysiker dabei bestimmte Neutronensterne im Verdacht: Solche Pulsare sind extrem kompakte Sternleichen, die sich mit teils aberwitziger Geschwindigkeit um ihre eigene Achse drehen. Sie erzeugen dadurch außergewöhnlich starke Magnetfelder von mehr als 100 Millionen Tesla – über eine Million mal stärker als jeder bislang auf der Erde hergestellte Magnet. Wegen dieser Felder wirken Pulsare wie ein Teilchenbeschleuniger; sie sammeln um sich herum geladene Materie in einem Nebel. Die darin befindlichen Partikel stoßen immer wieder zusammen, ähnlich wie im größten irdischen Teilchenbeschleuniger LHC, und erzeugen unter anderem Positronen, von denen einige schließlich ihren Weg bis zur Erde finden.

Eine internationale Kollaboration von Physikern unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg hat nun jedoch zwei prominente Kandidaten vom Verdacht freigesprochen, die Quelle der überzähligen Positronen zu sein: die beiden Pulsare Geminga und PSR B0656+14. Beide sind Überreste von Riesensternen, die einst als Supernova explodierten. Sie liegen in Richtung des Sternbilds Zwillinge und sind etwa 800 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Die komplizierte Struktur von Geminga (hier in einer Illustration) erklären sich Astronomen mit zwei gegenläufigen Materiestrahlen, die der Pulsar entlang seiner Rotationspole aussendet.


RÖNTGEN: NASA/CXC/PSU/B.POSSELT ET AL.; INFRAROT: NASA/JPL-CALTECH; ILLUSTRATION: NAHKS TR’EHNL

Kompositbild des Geminga-Pulsars, erstellt mit Röntgendaten des Chandra-Satelliten und Infrarotdaten des Spitzer-Satelliten.


RÖNTGEN: NASA/CXC/PSU/B.POSSELT ET AL.; INFRAROT: NASA/JPL-CALTECH; ILLUSTRATION: NAHKS TR’EHNL

Die Forscher konnten zwar bestätigen, dass energiereiche Positronen aus ihrer Umgebung kommen, »aber unsere Analyse ihrer Ausbreitung zeigt auch klar, dass sie keinen wesentlichen Beitrag zum beobachteten Positronenüberschuss leisten können«, erklärt Koautor Rubén López-Coto vom Heidelberger MPIK. Die Positronen bewegen sich zu langsam, um innerhalb der 300000 Jahre, die seit der Entstehung der Pulsare und ihrer umgebenden Nebel vergangen sind, in ausreichender Zahl zur Erde gelangt zu sein.

Steckt nun doch die Dunkle Materie dahinter?
Damit geht die Suche nach den rätselhaften Quellen der überschüssigen Positronen weiter. Leider lassen sich die Teilchen selbst nicht einfach zum Ursprungsort ihrer Reise zurückverfolgen. Weil sie elektrisch geladen sind, zwingen die Magnetfelder unserer Galaxie sie auf komplizierte, verworrene Bahnen, so dass die Wissenschaftler aus ihrer hiesigen Ausbreitungsrichtung nicht auf ihren Entstehungsort rückschließen können.

Statt der Positronen selbst untersuchten López-Coto und seine Kollegen deshalb hochenergetische Gammastrahlung, die aus dem Umfeld der beiden Pulsare stammt. Gammaquanten bewegen sich nämlich wie Licht geradlinig vom Ursprungsort zum Beobachter, wenn man die in diesen Fällen vernachlässigbaren Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie außer Acht lässt. Die stark beschleunigten Positronen in der Umgebung von Pulsaren erzeugen die Gammastrahlen, wenn sie mit Lichtquanten der kosmischen Hintergrundstrahlung zusammenstoßen und diesen Photonen einen Teil ihrer Energie übertragen.

Verantwortliche Pulsare müssten aus der Nachbarschaft stammen. Das bedeutet allerdings, dass die Positronen speienden Objekte höchstens wenige tausend Lichtjahre von uns entfernt liegen können, da die Antiteilchen auch nach Verlassen des Pulsarnebels mit anderen Partikeln im interstellaren Raum kollidieren und dadurch weiter Energie verlieren. Ihre Reichweite ist daher eingeschränkt. Als Quelle für die überschüssigen Positronen taugen ausschließlich Pulsare, die astronomisch gesehen in der näheren Umgebung unserer Milchstraße liegen. Genau deshalb galten Geminga und PSR B0656+14 als geeignete Kandidaten – sowohl ihre Entfernung als auch ihr Alter erschien passend.

Die Untersuchung beider Sternleichen gestaltete sich nicht einfach. Ihre Umgebung leuchtet nämlich über mehrere Grad am Himmel hell im Gammalicht. Spezielle Teleskope wie HESS in Namibia oder MAGIC auf La Palma haben ein zu beschränktes Gesichtsfeld, um derart ausgedehnte Objekte zu beobachten. Das HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray)-Observatorium in Mexiko ist jedoch auf solche Weitwinkelbeobachtungen spezialisiert. Es steht in 4100 Meter Höhe auf einer Flanke des Vulkans Sierra Negra und sieht auf den ersten Blick wie ein Treibstofflager aus: Es besteht aus 300 dicht beieinander stehenden Tanks mit hochreinem Wasser, von je 7,3 Meter Durchmesser und 4,5 Meter Höhe.

Trifft ein Gammaquant auf unsere Atmosphäre, zerschlägt es dort Atome, und es entstehen Kaskaden von Elementarteilchen. Einige dieser Partikel gelangen bis zur Erdoberfläche und erzeugen blaue Blitze – Tscherenkow-Strahlung – in den Wassertanks, die sensible Lichtsensoren registrieren. Aus der Strahlungsrichtung und weiteren Reaktionen leiten Forscher die Energie und den Entstehungsort des ursprünglichen Gammaquants ab. Indem die Physiker diese Orte in einer Himmelskarte eintragen, erhalten sie ein Bild der hochenergetischen Photonenquellen – in diesem Fall von Geminga und PSR B0656+14. Die ermittelte Energie der Positronen reicht allerdings nicht aus, um die vielen Antiteilchen auf der Erde zu erklären.

Das heißt jedoch nicht, dass damit Pulsare generell als Verursacher ausgeschlossen werden könnten, meint López-Coto. Es könnte in der kritischen Distanz von weniger als 1000 Lichtjahren noch unentdeckte Pulsare geben. »Zudem kann die Ausbreitung der kosmischen Strahlung in andere Richtungen anders verlaufen als aus Richtung von Geminga«, sagt der Wissenschaftler.

Die Forscher werden daher mit HAWC weiter nach Sternleichen im Gammalicht suchen. Falls sie keine finden, bleibt höchstwahrscheinlich nur noch eine Erklärung für die überschüssigen Positronen übrig: die Dunkle Materie.

Die überwältigende Mehrheit der Physiker geht davon aus, dass sich Galaxien und Sterne wegen der Masse von Dunkler Materie so bewegen, wie Astronomen es beobachten. Das ansonsten unsichtbare Material sollte demnach allgegenwärtig sein – doch aus welchen Teilchen es besteht, weiß bislang niemand. Viele Forscher sehen in den so genannten WIMPs gute Kandidaten für die Dunkle Materie – und damit auch für die Positronenquelle im All. Denn sie könnten beim Zerfallen oder gegenseitigen Zerstrahlen hochenergetische gewöhnliche Materie und Antimaterie produzieren, darunter Positronen.

Leider hat diese elegante Theorie einen gravierenden Schönheitsfehler: Trotz großem Aufwand gelang es Wissenschaftlern bislang nicht, Dunkle Materie im Labor zweifelsfrei nachzuweisen. Auch der Teilchenbeschleuniger LHC des CERN hat bislang keinerlei Hinweise auf WIMPs zu Tage gefördert. Eventuell könnten die überschüssigen Positronen den entscheidenden Beitrag zur Entschlüsselung des Rätsels um die Dunkle Materie liefern. Wenn nämlich WIMPs für die unerwartet hohe Anzahl von Antiteilchen verantwortlich sind, produzieren sie nur Positronen bis zu einer bestimmten Energie – und zwar der Energie, die der Masse der WIMPs entspricht. Das Positronenspektrum sollte also bei einem bestimmten Punkt steil abfallen. Die genauen Messungen, die der AMS-Detektor laufend verfeinert, zeigen bei einer Energie von ungefähr 350 Milliarden Elektronenvolt tatsächlich einen solchen Rückgang.

Allerdings haben die Wissenschaftler bisher noch nicht genügend hochenergetische Positronen registrieren können, um eine belastbare Aussage zu liefern. Bis auf Weiteres passen die AMS-Daten ebenso zu den hypotethischen WIMPs wie zu Pulsaren – oder einer Kombination aus beidem.

Jan Hattenbach ist Astronom und Wissenschaftsjournalist auf La Palma.

QUELLE

Abeysekara, A.U.et al.: Extended Gamma-Ray Sources Around Pulsars Constrain the Energy of the Positron Flux at Earth. In: Science 358, S. 911–914, 2017