All-Sky-Karte des am besten passenden „Halo+Disk“-Modells der 511 keV Gammastrahlenlinienemission. Bildnachweis: INTEGRAL. Klicken um zu vergrößern.
Das Positron, das Antimaterie-Gegenstück zum Elektron, wurde von Paul Diracs – seinerzeit revolutionären – Quantenwellengleichung für das Elektron vorhergesagt. Einige Jahre später, 1932, entdeckte Carl Anderson das Positron in der kosmischen Strahlung und Dirac erhielt 1933 den Nobelpreis und Anderson 1936.
Wenn ein Positron auf ein Elektron trifft, vernichten sie sich und erzeugen zwei Gammastrahlen. Manchmal geht der Annihilation jedoch die Bildung von Positronium voraus, das wie ein Wasserstoffatom ist, bei dem das Proton durch ein Positron ersetzt wird (Positronium hat sein eigenes Symbol, Ps). Positronium kommt in zwei Formen vor, ist instabil und zerfällt entweder in zwei Gammas (innerhalb von etwa 0,1 Nanosekunden) oder drei (innerhalb von etwa 100 Nanosekunden).
Astronomen wissen seit den 1970er Jahren, dass es im Universum viele Positronen geben muss. Wieso den? Denn wenn ein Positron und ein Elektron zu zwei Gammastrahlen vernichten, haben beide dieselbe Wellenlänge, etwa 0,024 Å oder 0,0024 nm (Astronomen wie Teilchenphysiker sprechen nicht über die Wellenlängen von Gammastrahlen, sie sprechen über ihre Energie; 511 keV in diesem Fall). Wenn Sie also mit Gammastrahlen in den Himmel schauen – von oben natürlich die Atmosphäre! – Sie wissen, dass es viele Positronen gab, weil Sie viele Gammas einer einzigen 'Farbe' sehen können, 511 keV (es ist ähnlich, als würde man schlussfolgern, dass es viel Wasserstoff im Universum gibt, indem man viel rotes (1,9 eV) H-Alpha im Nachthimmel).
Aus dem Spektrum des Drei-Gamma-Zerfalls von Positronium, verglichen mit der Linienintensität von 511 keV, haben Astronomen vor vier Jahren herausgefunden, dass etwa 93% der Positronen, deren Vernichtung wir sehen, Positronium bilden, bevor sie zerfallen.
Wie viel Positronium? In der Ausbuchtung der Milchstraße werden jede Sekunde etwa 15 Milliarden (tausend Millionen) Tonnen Positronen vernichtet. Das ist so viel Masse wie die Elektronen in Dutzenden Billionen Tonnen von Dingen, an die wir gewöhnt sind, wie Gestein oder Wasser; ungefähr so viel wie in einem mittelgroßen Asteroiden mit einem Durchmesser von 40 km.
Bei der Analyse der öffentlich veröffentlichten INTEGRAL-Daten (etwa ein Jahr lang) stellten Jürgen Knödlseder und seine Kollegen Folgendes fest:
- die Positronen, die in der Milchstraßenscheibe vernichtet werden, stammen höchstwahrscheinlich aus dem Beta+ (dh Positronen)-Zerfall der Isotope Aluminium-26 und Titan-44, die selbst in jüngsten Supernovae produziert wurden (denken Sie daran, Astronomen nennen es sogar vor 10 Millionen Jahren 'jüngste')
- jedoch werden in der Milchstraße mehr Positronen vernichtet als in der Scheibe, um den Faktor fünf
- Es scheint keine „Punkt“-Quellen zu geben.
Natürlich hat eine „Punkt“-Quelle für einen INTEGRAL-Wissenschaftler nicht ganz dieselbe Bedeutung wie für einen Amateurastronomen! Das Gammastrahlensehen in der Positroniumlinie ist unglaublich verschwommen, ein Objekt mit sechs Monden Durchmesser (3?) würde wie ein 'Punkt' aussehen! Nichtsdestotrotz können Knüdlseder und sein Team von Astrophysik-Detektiven sagen, dass „keine der von uns gesuchten Quellen einen signifikanten Fluss von 511 keV zeigte“; Zu diesen 40 „üblichen Verdächtigen“ gehören Pulsare, Quasare, Schwarze Löcher, Supernova-Überreste, Sternentstehungsregionen, reiche Galaxienhaufen, Satellitengalaxien und Blazare. Aber sie suchen immer noch: „Wir haben tatsächlich INTEGRAL-Beobachtungen der üblichen Verdächtigen, wie Supernovae vom Typ Ia (SN1006, Tycho) und LMXB (Cen X-4), die zur Lösung dieses Problems beitragen könnten, tatsächlich [geplant]“. .“
Woher kommen also die 15 Milliarden Tonnen Positronen, die jede Sekunde im Bulge vernichtet werden? „Für mich ist das Wichtigste an der Positronenvernichtung, dass die Hauptquelle noch ein Rätsel ist“, sagt Knödlseder. „Wir können die schwache Emission der Scheibe durch den Aluminium-26-Zerfall erklären, aber der Großteil der Positronen befindet sich in der Bulge-Region der Galaxie, und wir haben keine Quelle, die alle Beobachtungsmerkmale leicht erklären könnte. Insbesondere wenn Sie den 511-keV-Himmel mit dem bei anderen Wellenlängen beobachteten Himmel vergleichen, erkennen Sie, dass der 511-keV-Himmel einzigartig ist! Es gibt keinen anderen Himmel, der dem ähnelt, was wir beobachten.“
Das INTEGRAL-Team glaubt, massereiche Sterne, Kollapsare, Pulsare oder Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung ausschließen zu können, denn wenn diese die Quelle der Bulge-Positronen wären, wäre die Scheibe bei 511 keV Licht viel heller.
Die Bulge-Positronen können durch eine Vielzahl von Prozessen aus massearmen Röntgendoppelsternen, klassischen Novae oder Supernovae vom Typ 1a stammen. Die Herausforderung besteht in jedem Fall darin, zu verstehen, wie genügend Positronen, die von diesen erzeugt werden, danach lange genug überleben und weit genug von ihrem Geburtsort entfernt diffundieren können.
Was ist mit kosmischen Saiten? Während die kürzlich erschienene Veröffentlichung von Tanmay Vachaspati, die diese als eine mögliche Quelle der Bulge-Positronen vorschlug, für Knüdlseder et al. für ihre Arbeit zu berücksichtigen: „Dennoch ist es für mich nicht offensichtlich, dass wir genügend Beobachtungsbeschränkungen haben, um zu sagen, dass kosmische Strings die 511 keV erreichen; wir wissen nicht einmal, ob kosmische Strings existieren. Man bräuchte eine einzigartige Eigenschaft kosmischer Strings, die alle anderen Quellen ausschließt, und heute denke ich, dass wir davon weit entfernt sind.“
Am aufregendsten ist vielleicht, dass die Positronen aus der Vernichtung eines massearmen Teilchens der Dunklen Materie und seines Antiteilchens stammen, oder wie Knüdlseder et al. „Vernichtung von leichter dunkler Materie (1-100 MeV), wie kürzlich von Boehm et al. vorgeschlagen. (2004) ist wahrscheinlich die exotischste, aber auch aufregendste Kandidatenquelle für galaktische Positronen.“ Dunkle Materie ist noch exotischer als Positronium; Dunkle Materie ist keine Antimaterie, und niemand konnte sie einfangen, geschweige denn in einem Labor untersuchen. Astronomen akzeptieren, dass es allgegenwärtig ist und seine Natur aufzuspüren ist eines der heißesten Themen sowohl in der Astrophysik als auch in der Teilchenphysik. Wenn die Milliarden Tonnen pro Sekunde an Positronen, die im Milchstraßen-Bulge vernichtet werden, nicht von klassischen Novae oder thermonuklearen Supernovae stammen können, dann ist vielleicht die gute alte Dunkle Materie daran schuld.
