Nahe Pulsare können Positronen-Überschuss nicht erklären

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Weltraumexperimente zeigen, dass weit mehr Positronen – positiv geladene Antiteilchen der Elektronen – aus dem Kosmos zur Erde gelangen als erwartet. Woher stammen diese Teilchen? Eine bislang favorisierte Erklärung sieht Pulsare als mögliche Ursache. Doch die Strahlung der beiden der Erde am nächsten gelegenen Pulsare Geminga und Monogem kann den Überschuss an Positronen nicht erklären. Das zeigen jetzt Weitwinkel-Beobachtungen hochenergetischer Gammastrahlung eines internationalen Forscherteams mit der Detektoranlage HAWC in Mexiko. Gaswolken um die Pulsare bremsen die Positronen so stark ab, dass nur wenige davon zur Erde gelangen, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“.

„Unsere Analyse liefert keine Unterstützung für die Annahme, dass die beiden nahen Pulsare für den von den Weltraumexperimenten PAMELA und AMS nachgewiesenen Positronen-Überschuss verantwortlich sind“, sagt Petra Huentemeyer von der Michigan Technology University und Gründungsmitglied des HAWC-Teams. Als Hauptquelle kosmischer Positronen sahen Astronomen ursprünglich die Wechselwirkung zwischen Atomkernen in der kosmischen Strahlung und dem Gas, das sich zwischen den Sternen befindet. Doch die Messungen der beiden im All stationierten Detektoren PAMELA und AMS zeigten erheblich mehr Positronen, insbesondere bei hohen Energien, als nach dieser Vorstellung zu erwarten.

Als mögliche Erklärung für diesen Positronen-Überschuss galt bislang die Erzeugung der Antiteilchen durch hochenergetische Prozesse in der Umgebung von Pulsaren, schnell rotierenden Neutronensternen mit starken Magnetfeldern. Theoretische Modelle zeigten, dass allein die Strahlung der beiden der Erde am nächsten gelegenen Pulsare Geminga und Monogem ausreichen könnte, um den gemessenen Positronen-Überschuss zu erklären. Doch die Messungen des HAWC-Teams entziehen dieser Erklärung nun den Boden.

Das „High-Altitude Water Cerenkov Gamma-ray Observatory“ besteht unter anderem aus 300 großen Wassertanks, mit denen die Forscher Sekundärteilchen nachweisen können, die beim Eindringen hochenergetischer Gammastrahlung in die Erdatmosphäre entstehen. Das HAWC ermöglicht erstmals eine Weitwinkel-Beobachtung der kosmischen Quellen hochenergetischer Gammastrahlung. „Dieses große Gesichtsfeld erlaubt bislang einzigartige Messungen der Diffusion von Teilchen in der Umgebung der Pulsare“, erläutert Hao Zhou vom HAWC-Team. Und eben diese Beobachtungen zeigen jetzt, dass zu wenige Positronen die Gaswolken um die Pulsare mit ausreichender Geschwindigkeit durchdringen, um zur Erde zu gelangen.

„Der Positronen-Überschuss könnte also eine exotischere Ursache haben“, schließt das HAWC-Team. Damit verweisen die Forscher auf eine seit der Entdeckung des Überschusses diskutierte alternative Erklärung: Die Positronen könnten durch den Zerfall von Teilchen der rätselhaften Dunklen Materie entstehen. Etwa 80 Prozent der Masse im Kosmos besteht nach heutigen Erkenntnissen aus Dunkler Materie – nur die zusätzliche Anziehungskraft dieser rätselhaften Substanz kann erklären, wie Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhalten. Allerdings mahnen Huentemeyer und ihre Kollegen zur Vorsicht: Vielleicht gibt es weitere, bislang unentdeckte nahe Pulsare, die ausreichend Positronen liefern – oder bislang unbekannte physikalische Prozesse bei der Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der interstellaren Materie.

Quelle: dx.doi.org/10.1126/science.aan4880

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