Extragalaktischer Gammastrahlen-Hintergrund zeigt keine Spuren Dunkler Materie

04473
Fluktuationen im isotropen Gammastrahlen-Hintergrund, basierend auf 81 Monaten an Daten. Die Emission unserer eigenen Galaxie, die Milchstraße, ist grau maskiert.

Copyright: Mattia Fornasa, UvA/Grappa

München (Deutschland) – Die bislang genaueste Analyse der Fluktuationen im Gammastrahlen-Hintergrund extragalaktischen Gammastrahlen zeigen zwei Arten von Quellen, dafür aber keine Anzeichen für die zusehends umstrittene Existenz Dunkler Materie.

Wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Astrophysik und der Universiteit van Amsterdam am GRAPPA Center of Excellence aktuell im Fachjournal „Physical Review D“ (DOI: 10.1103/PhysRevD.85.083007) berichten, bilden mehr als sechs Beobachtungsjahre mit dem Fermi Large Area Telescope die Datengrundlage ihrer Analyse.

Das jetzt veröffentlichte Ergebnis der Auswertung dieser Daten offenbaren zwei unterschiedliche Arten von Quellen, die zum Gammastrahlenhintergrund beitragen. Allerdings fanden die Wissenschaftler „keine Hinweise auf einen Beitrag von möglichen Dunkle-Materie-Teilchen“.

www.grenzwissenschaft-aktuell.de
+ HIER können Sie den täglichen GreWi-Newsletter bestellen +

Bei Gammastrahlen handelt es sich um für das menschliche Auge unsichtbare Lichtteilchen (sog. Photonen) mit der höchsten Energie im Universum. „Die häufigsten Quellen für Gammastrahlen sind sog. Blazare“, erläutern die Forscher. Blazare sind supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien. „In geringerem Ausmaß werden Gamma-Strahlen auch von besonderen Sternen wie Pulsaren oder in riesigen Sternexplosionen wie Supernovae erzeugt.“

Seit 2008 beobachten Astronomen mit dem Fermi-Satelliten der NASA den Gammastrahlenhimmel und bilden diesen mit dessen Hauptinstrument – dem Large Area Telescope – in extrem hoher Genauigkeit ab.

In unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, wird der Großteil der dabei detektierten Gamma-Strahlen erzeugt. Hinzu konnte das Fermi-Teleskop bis Januar 2016 aber auch mehr als 3000 extragalaktische Quellen nachweisen. „Diese individuellen Quellen reichen allerdings nicht aus, um die Gesamtmenge der Gamma-Photonen zu erklären, die von außerhalb unserer Galaxie stammen“, erläutern die Wissenschaftler und führen weiter aus: „So können etwa 75% der Strahlung nicht erklärt werden.“

Der diffuse Gammastrahlenhintergrund wurde erstmals bereits in den 1960er Jahren entdeckt. Dieser erreicht uns aus allen Richtungen des Universums und würde unseren Himmel – wenn wir Menschen Gammastrahlen sehen könnten – nie dunkel werden lassen.

04476
Diese Ansicht zeigt den gesamten Himmel in Gammastrahlung bei Energien größer als 1 GeV, auf der Grundlage von fünf Jahren an Daten mit dem Large Area Telescope auf dem Fermi Gammastrahlen-Observatorium der NASA. Hellere Farben zeigen stärkere Gammastrahlenemission. Das große helle Band in der Mitte ist die Emission unserer eigenen Galaxie.

Copyright: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Wie die Autoren der Studie erklären, sei die Quelle dieses sogenannten isotropen Gamma-Hintergrundes bisher unbekannt: „Er könnte durch nicht aufgelöste Blazare oder andere astronomische Quellen erzeugt werden, die zu schwach sind, um mit dem Fermi-Teleskop nachgewiesen zu werden.“

Teile des Gammastrahlenhintergrunds könnten aber auch den Fingerabdruck des postulierten „Dunkle-Materie-Teilchens“ enthalten. Bislang wurde dieses Teilchen allerdings noch nicht entdeckt, sondern lediglich theoretisch vorgeschlagen, um so die fehlenden 80 Prozent der Materie im Universum zu erklären. „Wenn zwei Teilchen der dunklen Materie zusammenstoßen, können sie sich gegenseitig vernichten und eine Signatur von Gammastrahlen-Photonen erzeugen.“

„Die Analyse und Interpretation von Fluktuationen des diffusen Gammastrahlenhintergrunds ist ein neues Forschungsgebiet in der Hochenergie-Astrophysik“, erklärt Eiichiro Komatsu am Max-Planck-Institut für Astrophysik, der die notwendigen Analysewerkzeuge für Fluktuationen dieser Strahlung entwickelt hat. Komatsu war auch Teil des Teams, das im Jahr 2012 erstmals Schwankungen im Gamma-Ray-Hintergrund nachweisen konnte. Für die neue Analyse nutzten die Forscher 81 Monate an Daten aus dem Fermi Large Area Telescope – ein viel größerer Datensatz und mit einer breiteren Energieskala als in früheren Studien.

Jetzt konnten die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Beiträge zum Gammastrahlenhintergrund unterscheiden: „Eine Klasse von Gammastrahlenquellen wird benötigt, um die Schwankungen bei niedrigen Energien (unter 1 GeV) zu erklären, und eine andere Art von Quellen wird benötigt, um die Fluktuationen mit höherer Energie zu erzeugen – die Signaturen dieser beiden Beiträge sind deutlich unterschiedlich.

Die Gammastrahlen in den Hochenergiebereichen – oberhalb von einigen GeV – stammen demnach von nicht aufgelösten Blazaren. Eine weitere Untersuchung dieser potenziellen Quellen ist derzeit im Gange. Allerdings scheint es viel schwieriger, eine Quelle für die Fluktuationen mit Energien unter 1 GeV zu lokalisieren: „Keiner der bekannten Gammastrahlenemitter hat ein Verhalten, das mit den neuen Daten konsistent ist.“

Bisher konnte das Fermi-Teleskop keinen schlüssigen Hinweis auf Gammastrahlen-Emission von Teilchen der Dunklen Materie finden – und auch diese neue Studie zeigt keine Anzeichen für ein Signal, das mit dunkler Materie verknüpft sein könnte. „Unsere Messung ergänzt frühere Kampagnen, die mit Gammastrahlen nach dunkler Materie suchten“, sagt Erstautor Mattia Fornasa von der Universteit van Amsterdam. „Sie bestätigt, dass wenig Raum bleibt für eine durch Dunkle Materie induzierte Gammastrahlenemission im isotropen Gammastrahlenhintergrund.“

„Meine ursprüngliche Motivation im Jahr 2006 diese Analyse durchzuführen bestand darin, Beweise für Gammastrahlen aus dunklen Materieteilchen zu finden. Nun, wir haben noch keine Gammastrahlen aus dunkler Materie gefunden“, kommentiert Komatsu abschließend. „Aber es ist aufregend, dass unsere Messungen zu einem neuen Verständnis der Populationen von astrophysikalischen Quellen für Gammastrahlen – wie Blazaren – führen. Ich habe die Hoffnung noch nicht aufgegeben, die Gammastrahlungssignatur Dunkler Materie zu finden, und wir haben einige neue Ideen, wie wir unsere Methode verbessern können.“

GreWi-Kurzgefasst
– Anhand der neusten Analyse von Fluktuation des Gammastrahlen-Hintergrunds haben Astrophysiker zwar zwei Arten von Quellen gefunden – allerdings keine Anzeichen für Dunkle Materie.
– damit bleibt – zumindest anhand dieser Fluktuationen – nur noch wenig Raum ür eine durch Dunkle Materie induzierte Gammastrahlenemission im isotropen Gammastrahlenhintergrund.

© grenzwissenschaft-aktuell.de