Sagen Sie das Wort "Antimaterie" und sofort denken die Leute an Science-Fiction - Anti-Universen, Treibstoff für die Warp-Speed-Motoren der Enterprise und so weiter. Antimaterie besteht aus Elementarteilchen, von denen jedes die gleiche Masse wie die entsprechenden Materiegegenstücke - Protonen, Neutronen und Elektronen - hat, jedoch die entgegengesetzten Ladungen und magnetischen Eigenschaften. Wenn Materie und Antimaterieteilchen kollidieren, vernichten sie sich gegenseitig und produzieren Energie nach Einsteins berühmter Gleichung E = mc2. Aber Antimaterie ist nicht in jeder Drogerie an der Ecke erhältlich (und Plutonium auch nicht, um mit dem Filmthema fortzufahren), und es gibt anscheinend nicht viel davon. Theoretisch war dies jedoch nicht immer der Fall, und Wissenschaftler nutzen das Chandra-Röntgenobservatorium, um nach Beweisen für Antimaterie zu suchen, die im sehr frühen Universum vorhanden war. Und es ist keine leichte Aufgabe ...
Nach dem Urknallmodell war das Universum kurz nach dem Urknall voller Materie- und Antimaterieteilchen. Das meiste dieses Materials wurde vernichtet, aber weil es etwas mehr Materie als Antimaterie gab - weniger als einen Teil pro Milliarde -, blieb zumindest im lokalen Universum nur Materie zurück.
Es wird angenommen, dass Spuren von Antimaterie durch starke Phänomene wie relativistische Jets erzeugt werden, die von Schwarzen Löchern und Pulsaren angetrieben werden. Es wurden jedoch noch keine Beweise für Antimaterie aus dem Säuglingsuniversum gefunden.
Wie konnte eine ursprüngliche Antimaterie überlebt haben? Kurz nach dem Urknall gab es vermutlich eine außergewöhnliche Periode, die als Inflation bezeichnet wurde und in der sich das Universum in nur einem Bruchteil einer Sekunde exponentiell ausdehnte.
"Wenn Materie- und Antimaterieklumpen vor der Inflation nebeneinander existierten, könnten sie jetzt durch mehr als die Größe des beobachtbaren Universums getrennt sein, sodass wir sie niemals treffen würden", sagte Gary Steigman von der Ohio State University, der dirigierte die Studium. "Aber sie könnten in kleineren Maßstäben wie Superclustern oder Clustern getrennt werden, was eine viel interessantere Möglichkeit ist."
In diesem Fall könnten Kollisionen zwischen zwei Galaxienhaufen, den größten gravitationsgebundenen Strukturen im Universum, Hinweise auf Antimaterie liefern. Die Röntgenemission zeigt, wie viel heißes Gas an einer solchen Kollision beteiligt ist. Wenn ein Teil des Gases aus einem der Cluster Antimaterieteilchen enthält, kommt es zu einer Vernichtung, und die Röntgenstrahlen werden von Gammastrahlen begleitet.
Steigman verwendete Daten von Chandra und dem jetzt umkreisten Compton Gamma Ray Observatory, um den Bullet Cluster zu untersuchen, bei dem zwei große Galaxienhaufen mit extrem hohen Geschwindigkeiten ineinander gestürzt sind. In relativ kurzer Entfernung und mit einer günstigen Ausrichtung von der Erde aus gesehen bietet der Bullet Cluster einen hervorragenden Testort für die Suche nach dem Signal für Antimaterie.
Schauen Sie sich diese sehr raffinierte Animation von Galaxienhaufen an, die ineinander stoßen.
"Dies ist der größte Maßstab, in dem dieser Antimaterietest jemals durchgeführt wurde", sagte Steigman, dessen Artikel im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht wurde. "Ich bin gespannt, ob es Galaxienhaufen geben könnte, die aus großen Mengen Antimaterie bestehen."
Die beobachtete Menge an Röntgenstrahlen von Chandra und die Nichtdetektion von Gammastrahlen aus den Compton-Daten zeigen, dass die Antimateriefraktion im Bullet Cluster weniger als drei ppm beträgt. Darüber hinaus zeigen Simulationen des Zusammenschlusses von Bullet Clustern, dass diese Ergebnisse signifikante Mengen an Antimaterie über Skalen von etwa 65 Millionen Lichtjahren ausschließen, eine Schätzung der ursprünglichen Trennung der beiden kollidierenden Cluster.
"Die Kollision von Materie und Antimaterie ist der effizienteste Prozess zur Energieerzeugung im Universum, aber möglicherweise nicht in sehr großem Maßstab", sagte Steigman. "Aber ich gebe noch nicht auf, da ich vorhabe, andere kollidierende Galaxienhaufen zu untersuchen, die kürzlich entdeckt wurden."
Das Auffinden von Antimaterie im Universum könnte Wissenschaftlern Aufschluss darüber geben, wie lange die Inflationsperiode gedauert hat. "Der Erfolg dieses Experiments, obwohl ein langer Weg, würde uns viel über die frühesten Stadien des Universums lehren", sagte Steigman.
Steigman hat das Vorhandensein von Antimaterie in kleineren Maßstäben strenger eingeschränkt, indem er einzelne Galaxienhaufen betrachtet, die keine so großen, jüngsten Kollisionen beinhalten.
Quelle: Chandra / Harvard
