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Entweicht Antimaterie aus der Milchstraße in den intergalaktischen Raum?
Verräterische Strahlung: Zwei auffällige Flecken am Gammastrahlenhimmel fallen mit ausgedehnten Gaswolken rund um die Milchstraße zusammen. Dort könnten Positronen, die Antiteilchen der Elektronen, mit gewöhnlicher Materie zerstrahlen. Sollte sich diese Deutung bestätigen, erzeugt unsere Galaxie womöglich zwei- bis dreimal so viele Positronen wie bislang angenommen.
Würzburg (Deutschland). Seit Jahrzehnten rätseln Astronomen über eine ungewöhnliche Gammastrahlung, die vor allem aus dem Zentrum der Milchstraße und ihrer Scheibe kommt. Sie besitzt eine charakteristische Energie von 511 Kiloelektronenvolt. Solche Lichtteilchen entstehen, wenn ein Positron und ein Elektron aufeinandertreffen und sich bei ihrer sogenannten Annihilation in Strahlung verwandeln.
Das eigentliche Rätsel liegt in der Herkunft der Positronen. Verschiedene kosmische Quellen kommen dafür infrage, etwa der radioaktive Zerfall bestimmter Atomkerne oder Prozesse in kompakten Sternsystemen. Doch noch ist unklar, wie viele dieser Antiteilchen entstehen und ob ein Teil davon weit über die galaktische Scheibe hinausgelangt.
Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) um Dr. Thomas Siegert haben nun eine Himmelskarte auf mögliche Spuren solcher Positronen untersucht. Die Karte basiert auf 20,5 Jahren Messdaten des europäischen Gammastrahlenobservatoriums INTEGRAL und seines Spektrometers SPI. Das Team verglich sechs schwächere Strahlungsflecken abseits der Milchstraßenebene mit bekannten Gaswolken und der Verteilung benachbarter Galaxien.
Besonders interessant sind zwei Regionen, die sich am Himmel mit großen Wasserstoffwolken decken. Eine liegt beim Magellanschen Strom, einem langen Gasband im Umfeld der Magellanschen Wolken. Die andere fällt mit Komplex C zusammen, einer sogenannten Hochgeschwindigkeitswolke im äußeren Bereich der Milchstraße.
Gerade dort treten einige der stärksten außerhalb der galaktischen Ebene erkennbaren Flecken der 511-Kiloelektronenvolt-Strahlung auf. Für Komplex C ermittelte das Team einen Gammastrahlenfluss von 9,1 mal 10⁻⁵ Photonen pro Quadratzentimeter und Sekunde, für den Magellanschen Strom 4,9 mal 10⁻⁵. Die Messunsicherheiten liegen bei 2,6 beziehungsweise 1,6 in derselben Einheit.
Zusammengenommen erscheinen diese beiden Signale den Forschern zu ausgeprägt, um sie einfach als Schwankungen des Instrumentenhintergrunds abzutun. Allerdings beweist die räumliche Übereinstimmung nicht, dass die Gammastrahlung tatsächlich aus den betreffenden Wolken stammt. Auch bei der Rekonstruktion schwacher Himmelsbilder können künstliche Strukturen entstehen.
Eine mögliche Erklärung: In unserer Galaxie erzeugte Positronen werden von Materieströmen in den Halo transportiert, den weiträumigen Bereich um die sichtbare Sternenscheibe. Dort treffen sie auf dünnes Gas und zerstrahlen bei der Begegnung mit Elektronen. Der Magellansche Strom und Komplex C könnten dann gewissermaßen als Leuchtspuren dieser entkommenen Antiteilchen dienen.
Falls dieses Szenario zutrifft, müsste die Milchstraße insgesamt bis zu rund 10⁴⁴ Positronen pro Sekunde erzeugen. Das wäre etwa das Zwei- bis Dreifache der Rate, die sich allein aus den bisher erfassten Annihilationssignalen im interstellaren Gas ableiten lässt. Damit würde das ungelöste Rätsel um die Herkunft der Antiteilchen noch größer.
Die hohe Produktionsrate ist jedoch keine direkte Messung. Sie ergibt sich aus einer Modellrechnung, deren Ergebnis davon abhängt, wo die Positronen entstehen, wie weit sie sich ausbreiten und in welchem Gas sie schließlich zerstrahlen. Ob tatsächlich so viele Positronen den äußeren Halo erreichen, muss erst überprüft werden.