Astronomen haben einen nahegelegenen Pulsar mit einem seltsamen Heiligenschein um ihn herum beobachtet. Dieser Pulsar könnte eine Frage beantworten, die Astronomen seit einiger Zeit verwirrt. Der Pulsar heißt Geminga , und es ist einer der nächsten Pulsare zur Erde, etwa 800 Lichtjahre entfernt im Sternbild Zwillinge. Es ist nicht nur erdnah, sondern Geminga ist auch in Gammastrahlen sehr hell.
Der Halo selbst ist für unsere Augen offensichtlich unsichtbar, da er in den Gammawellenlängen liegt. ( Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA entdeckt.) Aber es ist groß und bedeckt so viel des Himmels wie 40 Vollmonde.
Der Heiligenschein könnte für einige Vorgänge in unserer eigenen Nachbarschaft verantwortlich sein: Es gibt eine Fülle von Antimaterie in der Nähe der Erde, und ihre Anwesenheit hat Wissenschaftler seit einem Jahrzehnt verwirrt.
„Unsere Analyse legt nahe, dass derselbe Pulsar für ein jahrzehntelanges Rätsel darüber verantwortlich sein könnte, warum eine Art kosmischer Teilchen in der Nähe der Erde ungewöhnlich häufig vorkommt“, sagte Mattia Di Mauro, Astrophysiker an der Katholischen Universität von Amerika in Washington und dem Goddard Space der NASA Flugzentrum in Greenbelt, Maryland. 'Diese sind Positronen , die Antimaterie-Version von Elektronen, die von irgendwo außerhalb des Sonnensystems kommen.“
Gemingas Heiligenschein mit The Big Dipper als Maßstab gezeigt. Bildquelle: Goddard Space Flight Center der NASA.
ZU Drücken Sie ist der Überrest eines massereichen Sterns, der zur Supernova geworden ist. Geminga ist das Ergebnis einer Supernova-Explosion vor etwa 300.000 Jahren im Sternbild Zwillinge. Es ist ein rotierender Neutronenstern, der in gewisser Weise auf die Erde ausgerichtet ist, sodass seine Energie wie ein ausladender Leuchtturm auf uns gerichtet ist.
Ein Pulsar ist natürlicherweise von einer Wolke aus Elektronen und Positronen umgeben. Das liegt daran, dass ein Neutronenstern ein intensives elektromagnetisches Feld hat, das stärkste aller bekannten Objekte. Das superstarke Feld zieht die Teilchen von der Oberfläche des Pulsars und beschleunigt sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit.
Diese sich schnell bewegenden Teilchen, einschließlich Elektronen und ihrer Antimaterie-Gegenstücke, Positronen, sind kosmische Strahlung. Da kosmische Strahlung eine elektrische Ladung trägt, unterliegt sie der Wirkung von Magnetfeldern. Wenn also kosmische Strahlung die Erde erreicht, können Astronomen ihre Quelle nicht lokalisieren.
In den letzten zehn Jahren haben verschiedene Observatorien und Experimente mehr hochenergetische Positronen in unserer Nähe entdeckt als erwartet. Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA, Alpha-Magnetspektrometer der NASA , und andere Experimente haben sie alle entdeckt. Wissenschaftler erwarteten, dass nahe gelegene Pulsare, einschließlich Geminga, die Quelle waren. Aber aufgrund der Art und Weise, wie diese Positronen durch Magnetfelder beeinflusst werden, konnte dies nicht nachgewiesen werden.
Bis 2017.
In diesem Jahr wurde die High Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC .) ) bestätigte, was einige bodengestützte Entdeckungen gefunden hatten: ein kleiner, aber intensiver Gammastrahlen-Halo um Geminga. Die HAWC wies Energien in der Halostruktur von 5 – 40 TeV oder Tera-Elektronen-Volt nach. Das ist Licht mit Billionen Mal mehr Energie, als unsere Augen sehen können.
Ursprünglich dachten die Wissenschaftler, dass der hochenergetische Halo durch beschleunigte Elektronen und Positronen verursacht wird, die mit Sternenlicht kollidieren, was ihre Energie erhöhen und sie superhell machen würde. Wenn ein geladenes Teilchen einen Teil seiner Energie auf ein Photon überträgt, nennt man das Inverse-Compton-Streuung.
Aber das Team, das HAWC verwendet, um Geminga und seinen Halo zu beobachten, kam zu dem Schluss: Diese hochenergetischen Positronen würden die Erde nur selten erreichen, basierend auf der Größe des Halos. Es musste also eine andere Erklärung für die Häufigkeit von Positronen in der Nähe der Erde geben.
Wissenschaftler, die das Vorhandensein von Positronen in der Nähe der Erde untersuchten, haben Pulsare noch nicht von ihrer Liste gestrichen. Und als enger und heller Pulsar erregte Geminga immer noch ihr Interesse.
Mattia Di Mauro leitete ein kleines Team von Wissenschaftlern, die die Geminga-Daten eines Jahrzehnts von Fermis Large Area Telescope (LAT) untersuchten. LAT beobachtet Licht mit geringerer Energie als HAWC. Di Mauro ist der Hauptautor einer neuen Studie, die diese Ergebnisse präsentiert. Die Studie trägt den Titel „ Nachweis eines ?-Strahlenhalos um Geminga mit den Fermi-LAT-Daten und Implikationen für den Positronenfluss .“ Das Papier ist in Physics Review veröffentlicht.
Eine der Co-Autoren des Papers ist Silvia Manconi, Postdoktorandin an der RWTH Aachen in Deutschland. In einem Pressemitteilungen e sagte Manconi: „Um den Halo zu untersuchen, mussten wir alle anderen Quellen von Gammastrahlen herausziehen, einschließlich des diffusen Lichts, das durch Kollisionen kosmischer Strahlen mit interstellaren Gaswolken erzeugt wird. Wir haben die Daten mit 10 verschiedenen Modellen der interstellaren Emission untersucht.“
Nachdem das Team alle anderen Gammastrahlenquellen am Himmel abgezogen hatte, zeigten die Daten eine riesige längliche Struktur; ein Heiligenschein um Geminga. Die Hochenergiestruktur bedeckte 20 Grad am Himmel bei 20 Milliarden Elektronenvolt und eine noch größere Fläche bei niedrigeren Energien.
Die Co-Autorin der Studie, Fiorenza Donato, ist vom italienischen Nationalinstitut für Kernphysik und der Universität Turin. In der Pressemitteilung sagte Donato: „Partikel mit niedrigerer Energie bewegen sich viel weiter vom Pulsar weg, bevor sie auf das Sternenlicht treffen, einen Teil ihrer Energie darauf übertragen und das Licht zu Gammastrahlen verstärken. Aus diesem Grund deckt die Gammastrahlung bei niedrigeren Energien einen größeren Bereich ab“, erklärt Donato. 'Außerdem ist der Heiligenschein von Geminga teilweise aufgrund der Bewegung des Pulsars durch den Raum verlängert.'
Dieses Modell zeigt den Gamma-Halo von Geminga im Laufe der Zeit. Zwei Effekte ändern seine Form. Das erste ist die Bewegung des Pulsars durch den Raum, das zweite ist das Energieniveau. Bei niedrigeren Energieniveaus ist der Gammastrahlen-Halo größer, während bei höheren Energieniveaus der Halo kleiner ist. Das liegt daran, dass Teilchen mit niedrigerer Energie weiter durch den Weltraum und vom Pulsar weg wandern, bevor sie mit Sternenlicht interagieren und auf Gammastrahlen-Energieniveaus angehoben werden. Credits: Goddard Space Flight Center/M. Di Mauro
Das Team verglich die LAT-Daten mit den HAWC-Daten und kam zu dem Schluss, dass die Datensätze übereinstimmten. Sie fanden auch heraus, dass helle, nahe gelegene Geminga für bis zu 20 % der hochenergetischen Positronen verantwortlich sein könnten, die das AMS-02-Experiment beobachtete. Hochgerechnet auf alle kumulativen Pulsaremissionen in der Milchstraße sagt das Team, dass Pulsare die beste Erklärung für das ursprüngliche Rätsel bleiben: die Quelle all dieser Positronen in der Nähe der Erde.
„Unsere Arbeit zeigt, wie wichtig es ist, einzelne Quellen zu untersuchen, um vorherzusagen, wie sie zur kosmischen Strahlung beitragen“, sagte Di Mauro. „Dies ist ein Aspekt des aufregenden neuen Felds namens Multimessenger-Astronomie , wo wir das Universum neben Licht mit mehreren Signalen wie kosmischer Strahlung untersuchen.“
