Astronomen haben einen nahe gelegenen Pulsar mit einem seltsamen Heiligenschein beobachtet. Dieser Pulsar könnte eine Frage beantworten, die Astronomen seit einiger Zeit verwirrt. Der Pulsar heißt Geminga und ist einer der der Erde am nächsten gelegenen Pulsare, etwa 800 Lichtjahre entfernt im Sternbild Zwillinge. Es ist nicht nur erdnah, sondern Geminga ist auch sehr hell in Gammastrahlen.
Der Lichthof selbst ist für unsere Augen offensichtlich unsichtbar, da er in den Gammawellenlängen liegt. (Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA hat es entdeckt.) Aber es ist groß und bedeckt so viel Himmel wie 40 Vollmonde.
Der Heiligenschein könnte für einige Ereignisse in unserer eigenen Nachbarschaft verantwortlich sein: In der Nähe der Erde gibt es eine Fülle von Antimaterie, und seine Anwesenheit hat Wissenschaftler seit einem Jahrzehnt verwirrt.
"Unsere Analyse legt nahe, dass derselbe Pulsar für ein jahrzehntelanges Rätsel verantwortlich sein könnte, warum eine Art kosmischer Teilchen in der Nähe der Erde ungewöhnlich häufig vorkommt", sagte Mattia Di Mauro, Astrophysikerin an der Katholischen Universität von Amerika in Washington und im Goddard Space der NASA Flugzentrum in Greenbelt, Maryland. "Dies sind Positronen, die Antimaterie-Version von Elektronen, die von irgendwo außerhalb des Sonnensystems kommen."
Ein Pulsar ist der Rest eines massiven Sterns, der zur Supernova geworden ist. Geminga ist das Ergebnis einer Supernova-Explosion vor etwa 300.000 Jahren im Sternbild Zwillinge. Es ist ein rotierender Neutronenstern, der in gewisser Weise auf die Erde ausgerichtet ist, so dass seine Energie wie ein weitläufiger Leuchtturm auf uns gerichtet ist.
Ein Pulsar ist natürlich von einer Wolke aus Elektronen und Positronen umgeben. Dies liegt daran, dass ein Neutronenstern ein intensives elektromagnetisches Feld hat, das stärkste aller bekannten Objekte. Das superstarke Feld zieht die Partikel von der Oberfläche des Pulsars und beschleunigt sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit.
Diese sich schnell bewegenden Teilchen, einschließlich Elektronen und ihrer Gegenstücke gegen Materie, Positronen, sind kosmische Strahlen. Da kosmische Strahlen eine elektrische Ladung tragen, sind sie den Auswirkungen von Magnetfeldern ausgesetzt. Wenn kosmische Strahlen die Erde erreichen, können Astronomen ihre Quelle nicht genau bestimmen.
Während des letzten Jahrzehnts haben verschiedene Observatorien und Experimente mehr energiereiche Positronen in unserer Nähe entdeckt als erwartet. Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA, das Alpha-Magnetspektrometer der NASA und andere Experimente haben sie alle nachgewiesen. Wissenschaftler erwarteten, dass nahegelegene Pulsare, einschließlich Geminga, die Quelle waren. Aufgrund der Art und Weise, wie diese Positronen von Magnetfeldern beeinflusst werden, konnte dies jedoch nicht nachgewiesen werden.
Bis 2017.
In diesem Jahr bestätigte das hochgelegene Wasser-Cherenkov-Gammastrahlenobservatorium (HAWC), was einige bodengestützte Entdeckungen gefunden hatten: einen kleinen, aber intensiven Gammastrahlenhalo um Geminga. Das HAWC detektierte Energien in der Halostruktur von 5 - 40 TeV oder Tera-Elektronenvolt. Das ist Licht mit Billionen Mal mehr Energie, als unsere Augen sehen können.
Anfänglich dachten Wissenschaftler, dass der hochenergetische Lichthof durch beschleunigte Elektronen und Positronen verursacht wird, die mit dem Sternenlicht kollidieren, was ihre Energie steigern und sie superhell machen würde. Wenn ein geladenes Teilchen einen Teil seiner Energie auf ein Photon überträgt, spricht man von Inverse-Compton-Streuung.
Das Team, das HAWC zur Beobachtung von Geminga und seines Halos verwendete, kam jedoch zu dem Schluss, dass diese hochenergetischen Positronen aufgrund der Größe des Halos nur selten die Erde erreichen würden. Es musste also eine andere Erklärung für die Fülle von Positronen in der Nähe der Erde geben.
Wissenschaftler, die das Vorhandensein von Positronen in der Nähe der Erde untersuchten, haben Pulsare noch nicht von ihrer Liste gestrichen. Und als enger und heller Pulsar erregte Geminga immer noch ihr Interesse.
Mattia Di Mauro leitete ein kleines Team von Wissenschaftlern, die Geminga-Daten aus einem Jahrzehnt von Fermis Large Area Telescope (LAT) untersuchten. LAT beobachtet Licht mit niedrigerer Energie als HAWC. Di Mauro ist der Hauptautor einer neuen Studie, die diese Ergebnisse präsentiert. Die Studie trägt den Titel "Detektion eines? -Röhrchenhalos um Geminga mit den Fermi-LAT-Daten und Auswirkungen auf den Positronenfluss". Das Papier ist in Physics Review veröffentlicht.
Eine der Mitautoren der Arbeit ist Silvia Manconi, Postdoktorandin an der RWTH Aachen. In einer Pressemitteilung sagte Manconi: „Um den Lichthof zu untersuchen, mussten wir alle anderen Gammastrahlenquellen subtrahieren, einschließlich diffusem Licht, das durch Kollisionen kosmischer Strahlen mit interstellaren Gaswolken erzeugt wird. Wir haben die Daten mit 10 verschiedenen Modellen der interstellaren Emission untersucht. “
Nachdem das Team alle anderen Gammastrahlenquellen am Himmel subtrahiert hatte, zeigten die Daten eine riesige längliche Struktur. ein Heiligenschein um Geminga. Die Hochenergiestruktur bedeckte 20 Grad am Himmel bei 20 Milliarden Elektronenvolt und eine noch größere Fläche bei niedrigeren Energien.
Die Mitautorin der Studie, Fiorenza Donato, ist vom italienischen Nationalen Institut für Kernphysik und der Universität von Turin. In der Pressemitteilung sagte Donato: „Teilchen mit niedrigerer Energie bewegen sich viel weiter vom Pulsar entfernt, bevor sie ins Sternenlicht laufen, übertragen einen Teil ihrer Energie darauf und verstärken das Licht auf Gammastrahlen. Aus diesem Grund deckt die Gammastrahlenemission bei niedrigeren Energien einen größeren Bereich ab “, erklärte Donato. "Außerdem ist Gemingas Heiligenschein teilweise aufgrund der Bewegung des Pulsars durch den Raum verlängert."
Das Team verglich die LAT-Daten mit den HAWC-Daten und kam zu dem Schluss, dass die Datensätze übereinstimmten. Sie fanden auch heraus, dass helles, nahe gelegenes Geminga für bis zu 20% der im AMS-02-Experiment beobachteten hochenergetischen Positronen verantwortlich sein könnte. Das Team extrapoliert dies auf alle kumulierten Pulsaremissionen in der Milchstraße und sagt, dass Pulsare die beste Erklärung für das ursprüngliche Rätsel bleiben: die Quelle all dieser Positronen in der Nähe der Erde.
"Unsere Arbeit zeigt, wie wichtig es ist, einzelne Quellen zu untersuchen, um vorherzusagen, wie sie zur kosmischen Strahlung beitragen", sagte Di Mauro. "Dies ist ein Aspekt des aufregenden neuen Feldes der Multimessenger-Astronomie, in dem wir das Universum zusätzlich zum Licht mit mehreren Signalen wie kosmischen Strahlen untersuchen."
Mehr:
- Pressemitteilung: Die Fermi-Mission der NASA verbindet Pulsars Gammastrahlen-Halo in der Nähe mit dem Antimaterie-Puzzle
- Forschungsarbeit: Detektion eines? -Röhrchenhalos um Geminga mit den Fermi-LAT-Daten und Implikationen für den Positronenfluss
- Wikipedia: Compton-Streuung
