Gibt es irgendwo im Universum, wo wir der Strahlung entkommen können? Hier auf der Erde sicher nicht. Und nicht im Weltraum selbst, der mit diffuser Strahlung in Form von Gammastrahlen und Neutrinos gefüllt ist. Wissenschaftler haben sich schwer getan zu erklären, woher all diese Gammastrahlen und Neutrinos kommen. Ein Forschertrio schlägt in einem neuen Artikel eine Quelle für all diese Strahlung vor: ruhende Schwarze Löcher.
Supermassive Schwarze Löcher (SMBH) befinden sich wahrscheinlich im Zentrum jeder großen Galaxie wie der Milchstraße. Wenn diese SMBHs aktiv Materie ansammeln, können sie viel Strahlung über das gesamte Spektrum aussenden, von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. Wenn das passiert, werden sie gerufen aktive galaktische Kerne . Aber was ist mit SMBHs, die leise sind?
Eine neue Studie sagt, dass sogar ruhende SMBHs Gammastrahlen und Neutrinos emittieren. Die Entdeckung hilft zu erklären, warum das Universum voller energetischer Teilchen ist.
Der Titel der Arbeit lautet „ Weiche Gammastrahlen von niedrig akkumulierenden supermassiven Schwarzen Löchern und Verbindung zu energetischen Neutrinos.“ Es wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht und der Hauptautor ist Shigeo Kimura von der Tohoku University in Sendai, Japan.
Aktive Galaxienkerne wie dieser speien viel Strahlung aus. Astronomen glauben, dass ein Teil der diffusen Strahlung des Universums von ruhigeren Schwarzen Löchern stammt. Bildnachweis: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital
Neutrinos sind nahezu masselose subatomare Teilchen und elektrisch neutral, woher sie ihren Namen haben. Infolgedessen ist ihre Gravitationswechselwirkung nahe Null und sie interagieren nicht mit dem starke Kernkraft entweder. Sie sind extrem schwer zu erkennen und passieren gerade deinen Körper.
Gamma Strahlen , sind dagegen nicht schwer zu erkennen. Sie sind die energiereichsten Photonen im Universum und Sie möchten definitiv nicht, dass sie durch Ihren Körper gelangen. Sie werden unter anderem bei Atombombendetonationen freigesetzt. Weltraumgestützte Detektoren haben Gammastrahlen mit Spannungen im Gigaelektronenbereich gefunden. Wenn Elektronenvoltbereiche nicht Ihr Ding sind, stellen Sie sich einfach vor, dass sie um Größenordnungen energiereicher sind als sichtbares Licht.
Wissenschaftler wissen also viel über Neutrinos und Gammastrahlen, sie sind sich nur nicht sicher, woher sie alle kommen. Diese Forschung könnte die Antwort haben. „Das Universum ist mit einem diffusen Hintergrund aus MeV-Gammastrahlen und PeV-Neutrinos gefüllt, deren Ursprünge unbekannt sind. Hier schlagen wir ein Szenario vor, das beide Hintergründe gleichzeitig berücksichtigen kann“, schreiben die Autoren.
Wissenschaftler glauben zu wissen, woher starke Hintergrund-Gammastrahlen im Bereich von Gigaelektronenvolt (GeV) bis Teraelektronen (TeV) Volt kommen. Sie stammen von AGNs und wahrscheinlich sternbildenden Galaxien. Aber die Quelle der weicheren Gammastrahlen, die im Megaelektronenvolt (MeV)-Bereich liegen, ist unbekannt. Das gleiche gilt für viele Neutrinos.
Dieses Papier zeigt, dass galaktische Kerne mit geringer Leuchtkraft sowohl für die Neutrinos als auch für die Gammastrahlen verantwortlich sein könnten.
Computersimulation von Plasma in der Nähe eines Schwarzen Lochs. Bildnachweis: Hotaka Shiokawa / EHT
Die enorme Masse und Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs zieht Materie an. Es bildet eine Akkretionsscheibe aus wirbelnder Materie, und schließlich fällt die Materie in das Schwarze Loch. Dabei wird eine enorme Menge an Gravitationsenergie freigesetzt. Diese Energie erhitzt das Gas um das Loch herum und erzeugt Plasma. In diesem Fall hat das Schwarzloch mit geringer Akkretion eine unzureichende Kühlung und die Temperatur des Plasmas kann mehrere zehn Milliarden Grad Celsius erreichen.
Was passiert, ist, dass das Plasma Protonen in extremem Maße energetisiert. Sie können 10.000 Mal energiereicher sein als das, was der Large Hadron Collider (LHC) erreichen kann, und der LHC ist unser leistungsstärkster Teilchenbeschleuniger. Wenn diese Hochgeschwindigkeitsprotonen mit Materie und Strahlung wechselwirken, produzieren sie Neutrinos. Dies kann die im Weltraum nachgewiesenen Neutrinos im höheren Energiebereich erklären.
Ein ähnlicher Mechanismus erzeugt Gammastrahlen. Da die Elektronen extrem hohe Temperaturen erreichen, werden sie durch einen Prozess namens Comptonisierung zu effizienten Erzeugern von Gammastrahlen im MeV-Bereich.
Dieses Bild aus der Studie zeigt, wie sanfte SMBHs diffuse Neutrinos und Gammastrahlen erzeugen können, die das Universum überfluten. Bildquelle: Shigeo S. Kimura.
Das Hochtemperaturplasma um ruhige Schwarze Löcher kann also Neutrinos und Gammastrahlen erzeugen. Obwohl diese Arten von Schwarzen Löchern schwach und schwer zu erkennen sind, gibt es viele davon. Es ist vernünftig anzunehmen, dass sie die Hintergrundstrahlung in Form von Gammastrahlen und Neutrinos erklären könnten.
Aber dies ist nur ein vorgeschlagener Mechanismus. Einen schlüssigen Beweis gibt es noch nicht. Woher wird das kommen?
Die meisten unserer Gammastrahlendetektoren sind nicht auf die MeV-Frequenz abgestimmt. Sie sind auf ein höheres Energieniveau eingestellt. Benötigt wird ein sogenannter „Multimessenger“-Detektor, den die Autoren nennen. Das ist ein Detektor, der gleichzeitig Gammastrahlen und Neutrinos in den richtigen Energiebereichen erkennt. Vorgeschlagene Missionen wie e-ASTROGAM , das All-Sky Medium Energy Gamma-ray Observatory (AMEGO) , und der Gamma-Ray- und Antimaterie-Umfrage (GRAMS) sollte helfen.
Mehr:
- Pressemitteilung: Gammastrahlen und Neutrinos aus weichen supermassiven Schwarzen Löchern
- Forschung: Weiche Gammastrahlen von niedrig akkretierenden supermassereichen Schwarzen Löchern und Verbindung zu energetischen Neutrinos
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