All-Sky-Karte des am besten passenden „Halo + Disk“ -Modells mit 511 keV Gammastrahlenlinienemission. Bildnachweis: INTEGRAL. Klicken um zu vergrößern.
Das Positron, das Antimaterie-Gegenstück zum Elektron, wurde von Paul Diracs - damals revolutionärer - Quantenwellengleichung für das Elektron vorhergesagt. Einige Jahre später, 1932, entdeckte Carl Anderson das Positron in kosmischen Strahlen, 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 Vernichtung jedoch die Bildung von Positronium voraus, das wie ein Wasserstoffatom ist, wobei das Proton durch ein Positron ersetzt wird (Positronium hat ein 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. Warum? Denn wenn ein Positron und ein Elektron zu zwei Gammas vernichten, haben beide die gleiche Wellenlänge, etwa 0,024 Å oder 0,0024 nm (Astronomen sprechen wie Teilchenphysiker nicht über die Wellenlängen von Gammastrahlen, sondern über ihre Energie; 511 keV in diesem Fall). Wenn Sie also mit Gammastrahlen in den Himmel schauen - natürlich von oben! - Sie wissen, dass es viele Positronen gab, weil Sie viele Gammas einer einzigen „Farbe“ von 511 keV sehen können (ähnlich wie bei der Schlussfolgerung, dass es im Universum viel Wasserstoff gibt, wenn Sie viel rotes (1,9 eV) H-Alpha im Universum bemerken Nachthimmel).
Aus dem Spektrum des Drei-Gamma-Zerfalls von Positronium im Vergleich zur 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 pro Sekunde etwa 15 Milliarden (Tausend Millionen) Tonnen Positronen vernichtet. Das ist so viel Masse wie die Elektronen in zig Billionen Tonnen Material, wie wir es gewohnt sind, wie Steine oder Wasser. ungefähr so viel wie bei einem mittelgroßen Asteroiden mit einem Durchmesser von 40 km.
Bei der Analyse der öffentlich veröffentlichten INTEGRAL-Daten (im Wert von etwa einem Jahr) stellten Jürgen Kn? Dlseder und seine Kollegen Folgendes fest:
- Die Positronen, die in der Milchstraße vernichtet werden, stammen höchstwahrscheinlich aus dem Beta + (dh Positronen) -Zerfall der Isotope Aluminium-26 und Titan-44, die selbst in jüngsten Supernovae hergestellt wurden (denken Sie daran, Astronomen nennen dies sogar vor 10 Millionen Jahren 'kürzlich')
- In der Milchstraßenwölbung werden jedoch um den Faktor fünf mehr Positronen vernichtet als in der Scheibe
- Es scheint keine "Punkt" -Quellen zu geben.
Für einen INTEGRALEN Wissenschaftler hat eine Punktquelle natürlich nicht die gleiche Bedeutung wie für einen Amateurastronomen! Das Gammastrahlen-Sehen in der Positronium-Linie ist unglaublich verschwommen. Ein Objekt mit einem Durchmesser von sechs Monden (3?) Würde wie ein „Punkt“ aussehen! Trotzdem können Kn? Dlseder und sein Team von Astrophysikern sagen, dass „keine der Quellen, nach denen wir gesucht haben, einen signifikanten Fluss von 511 keV aufwies“; Zu diesen 40 „üblichen Verdächtigen“ gehören Pulsare, Quasare, Schwarze Löcher, Supernovae-Überreste, sternbildende Regionen, reiche Galaxienhaufen, Satellitengalaxien und Blazare. Aber sie suchen immer noch: „Wir haben tatsächlich INTEGRALE Beobachtungen der üblichen Verdächtigen wie Supernovae vom Typ Ia (SN1006, Tycho) und LMXB (Cen X-4) geplant, die zur Lösung dieses Problems beitragen könnten . ”
Woher kommen also die 15 Milliarden Tonnen Positronen, die jede Sekunde in der Ausbuchtung vernichtet werden? „Für mich ist das Wichtigste an der Positronenvernichtung, dass die Hauptquelle immer noch ein Rätsel ist“, sagt Kn? Dlseder. „Wir können die schwache Emission von der Scheibe durch Aluminium-26-Zerfall erklären, aber der Großteil der Positronen befindet sich in der Ausbuchtungsregion der Galaxie, und wir haben keine Quelle, die alle Beobachtungsmerkmale leicht erklären kann. 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 ist der Ansicht, dass es massive Sterne, Kollapsare, Pulsare oder Wechselwirkungen mit kosmischen Strahlen ausschließen kann. Wenn dies die Quelle der Ausbuchtungspositronen wäre, wäre die Scheibe bei 511 keV Licht viel heller.
Die Ausbuchtungspositronen können durch eine Vielzahl von Prozessen aus massearmen Röntgenbinärdateien, klassischen Novae oder Supernovae vom Typ 1a stammen. Die Herausforderung besteht in jedem Fall darin zu verstehen, wie genügend von diesen erzeugte Positronen danach lange genug überleben und weit genug von ihren Geburtsorten entfernt diffundieren können.
Was ist mit kosmischen Strings? Während das kürzlich erschienene Papier von Tanmay Vachaspati, in dem diese als mögliche Quelle für die Ausbuchtungspositronen vorgeschlagen wurden, für Kn? Dlseder et al. für ihre Arbeit zu berücksichtigen: „Für mich ist es jedoch nicht offensichtlich, dass wir genug Beobachtungsbeschränkungen haben, um zu behaupten, dass kosmische Strings die 511 keV ergeben; Wir wissen nicht einmal, ob kosmische Strings existieren. Man würde eine einzigartige Eigenschaft kosmischer Strings brauchen, die alle anderen Quellen ausschließt, und heute denke ich, dass wir weit davon entfernt sind. “
Am aufregendsten ist vielleicht, dass die Positronen aus der Vernichtung eines Partikels der dunklen Materie mit geringer Masse und seines Antiteilchens stammen, oder wie Kn? Dlseder et al. um es auszudrücken: „Vernichtung der hellen dunklen Materie (1-100 MeV), wie kürzlich von Boehm et al. (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 das Aufspüren seiner Natur eines der heißesten Themen sowohl in der Astrophysik als auch in der Teilchenphysik ist. Wenn die Milliarden Tonnen Positronen pro Sekunde, die in der Ausbuchtung der Milchstraße vernichtet werden, nicht von klassischen Novae oder thermonuklearen Supernovae stammen können, dann ist vielleicht die gute alte dunkle Materie schuld.
