Geheimnisvolle Gammastrahlen mit ultrahoher Energie, das älteste Licht im Universum – welche Verbindung besteht zwischen den beiden?

Ultrahochenergetische Gammastrahlen könnten Aufschluss über die frühe Entwicklung des Universums geben

Dieses Bild zeigt die Milchstraßenscheibe (rot) und das mysteriöse Gammastrahlensignal (violetter Kreis). Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center

Astronomen haben ein unbekanntes, unerwartetes Gammastrahlensignal entdeckt, das seinen Ursprung außerhalb unserer Galaxie hat.

Der Kosmologe Alexander Kashlinsky von der NASA und der University of Maryland entdeckte das seltsame Gammastrahlensignal, nachdem er 13 Jahre lang Daten des Fermi-Teleskops der NASA durchsucht hatte.

„Das war eine völlig zufällige Entdeckung“, sagte Kashlinsky in einer Erklärung. „Wir haben ein Signal gefunden, das viel stärker war als erwartet, und zwar außerhalb des von uns untersuchten Himmelsbereichs.“

Noch seltsamer ist die Tatsache, dass dieser Gammastrahl mit einem der größten ungelösten Rätsel des Universums in Verbindung steht – der Quelle der ultrahochenergetischen Teilchen im Universum.

Das Team geht davon aus, dass die Gammastrahlen von hochenergetischen Teilchen stammen oder mit kosmischer Strahlung in Zusammenhang stehen. Sie bestehen hauptsächlich aus Protonen, Neutronen und Atomkernen.

Diese ultrahochenergetischen kosmischen Strahlen (UHECRs) enthalten mehr als zehn Milliarden Mal mehr Energie als normale Gammastrahlen, und ihr Ursprung bleibt ein Rätsel – ein Rätsel, das durch das Gammastrahlensignal offenbar verfestigt wurde.

Jagd nach „kosmischen Fossilien“ führt zur unerwarteten Entdeckung von Gammastrahlen

Die Eigenschaften der neu entdeckten Gammastrahlen weisen große Ähnlichkeiten mit einer bestimmten Eigenschaft der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) auf.

Die CMB ist das älteste Licht im Universum und entstand durch ein Ereignis, das 380.000 Jahre nach der Entstehung des Universums stattfand. Zuvor war das Universum eine heiße Teilchensuppe, durch die sich Licht nicht auf natürliche Weise bewegen konnte.

Etwa zu dieser Zeit kühlte das Universum so weit ab, dass sich Elektronen und Protonen zu Uratomen verbinden konnten. Das plötzliche Verschwinden der Elektronen gab den Photonen Raum, sich frei zu bewegen.

In diesem Moment änderte sich das Universum plötzlich von undurchsichtig zu durchsichtig, und diese frei wandernden Photonen sind die CMB, die die Menschen jetzt beobachten.

Als sich das Universum weiter ausdehnte, begannen diese Photonen ihre Energie zu verlieren. Die Temperatur dieser Photonen erreicht nun -270 Grad Celsius (2,78 Kelvin).

Die CMB wurde im Mai 1964 von zwei Radioingenieuren, Arno Penzias und Robert Wilson, entdeckt, die herausfanden, dass es eine Mikrowellenstrahlung gab, die die Erde ähnlich einem Hintergrund zu bedecken schien – daher der Name Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Damals ging man davon aus, dass die Temperatur der CMB in alle Richtungen gleich sein sollte. Doch in den 1990er Jahren stellte der COBE-Satellit der NASA dieses Modell in Frage und entdeckte, dass die Temperatur der CMB in verschiedene Richtungen leicht variierte.

COBE stellte fest, dass die CMB in Richtung Löwe 0,12 % heißer als die Durchschnittstemperatur ist und in der entgegengesetzten Richtung 0,12 % kühler als die Durchschnittstemperatur und dass ihr Fluss ebenfalls geringer ist.

Man geht davon aus, dass dieses „zweistufige“ Muster durch die Bewegung des Sonnensystems selbst verursacht wird, das im Verhältnis zur CMB eine Geschwindigkeit von 370 Kilometern pro Sekunde aufweist. Wenn sich das Sonnensystem jedoch im Universum in eine Richtung bewegt, dann sollte alles andere Sternenlicht eine „Zwei-Ebenen“-Eigenschaft aufweisen, die der der CMB ähnelt. Diese Spekulation wurde jedoch bisher nicht bestätigt. Astronomen suchen nach weiteren Beweisen dafür, dass die „Zweipolarität“ der CMB eine Widerspiegelung der Bewegung des Sonnensystems ist.

„Solche Messungen sind wichtig, weil die Unterschiede in den Eigenschaften der ‚zwei Phasen‘ der CMB uns helfen könnten, das sehr frühe Universum zu verstehen, vielleicht sogar bis zu einer hundertmilliardstel Sekunde nach seiner Entstehung“, sagte Teammitglied Fernando Atrio-Balandra, ein theoretischer Physiker an der Universität Salamanca in Spanien.

Ein oder zwei kosmische Mysterien?

Das Team wandte sich an Fermi und sein Large Area Telescope (LAT), das an einem einzigen Tag mehrere Himmelsdurchmusterungen durchführt, sowie an das LAT, das viele Jahre lang ununterbrochen in Betrieb ist. Die Forscher hofften, dass die LAT-Daten die „zweistufige“ Natur des Gammastrahlensignals enthüllen könnten.

Aufgrund der speziellen Relativitätstheorie und des hohen Energiezustands der Gammastrahlen sollte diese „Zwei-Ebenen“-Natur fünfmal deutlicher ausgeprägt sein als bei der CMB. Das Team fand diese „Zwei-Ebenen“-Natur, aber nicht in der erwarteten Weise.

„Wir haben eine doppelt so große Menge an Gammastrahlen festgestellt, ihr Maximum liegt jedoch am südlichen Himmel, weit entfernt vom Maximum der CMB, und ihre Intensität ist zehnmal größer als erwartet“, sagte Chris Schlander, Astrophysiker an der Catholic University und Mitglied des Teams. „Obwohl dies nicht das ist, wonach wir gesucht haben, vermuten wir, dass es mit einer ähnlichen Eigenschaft hochenergetischer kosmischer Strahlung zusammenhängt.“

Hochenergetische geladene Teilchen, aus denen UCHERs bestehen, sind „dualpolar“ mit der CMB, die erstmals 2017 vom Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien entdeckt wurde.

Obwohl diese geladenen Teilchen auf ihrem Weg zur Erde durch die Magnetfelder der Milchstraße und anderer Himmelskörper abgelenkt werden und die Ablenkungsrichtung von der Stärke des Magnetfelds abhängt, befinden sich die „Pole“ der UCHERs immer noch sehr nahe an den neu entdeckten Gammastrahlensignalen.

Das Team geht davon aus, dass die UCHERs und die neu entdeckten Gammastrahlensignale aufgrund dieser Positionsähnlichkeit wahrscheinlich miteinander in Zusammenhang stehen, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass eine unbekannte Quelle beide Signale (UCHERs und die neu entdeckten Gammastrahlen) gleichzeitig erzeugen könnte.

Astronomen möchten nun untersuchen, woher hochenergetische Photonen und Teilchen kommen, um ihre Quelle (oder Quellen) zu bestimmen und festzustellen, ob die beiden miteinander in Zusammenhang stehen und ob sie das gleiche Problem oder zwei völlig unterschiedliche Probleme darstellen.

Die Ergebnisse des Teams wurden auf der 243. Tagung der Astronomischen Gesellschaft vorgestellt und das Team veröffentlichte einen Artikel im Astrophysical Journal.

VON: Robert Lea

FY: Chen Li

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