Fluktuierende Gammastrahlung

  • 19. December 2016

Fermi Large Area Telescope liefert Daten für die bisher genaueste Analyse des Gammastrahlen-Hintergrunds.

Forschern des Max-Planck-Instituts für Astro­physik und der Univer­sität Amsterdam am GRAPPA Center of Excellence gelang die bislang genaueste Analyse der Fluk­tuationen im Gamma­strahlen-Hinter­grund. Sie verwendeten Daten aus mehr als sechs Jahren, die vom Fermi Large Area Telescope gesammelt wurden. Bei der Analyse fanden sie zwei unter­schiedliche Arten von Quellen, die zum Gamma­strahlen-Hinter­grund beitragen. Dabei zeigte die Analyse keine Hinweise auf einen Beitrag von mög­lichen Dunkle-Materie-Teilchen.

Abb.: 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. (Bild: NASA / DOE / Fermi LAT Col.)

Abb.: Diese Ansicht zeigt den gesamten Himmel in Gammastrahlung bei Energien größer als 1 GeV auf der Grundlage von Daten des Fermi Large Area Telescope. Hellere Farben zeigen stärkere Gammastrahlenemission. Das große helle Band in der Mitte ist die Emission der Milchstraße. (Bild: NASA / DOE / Fermi LAT Col.)

Im Jahr 2008 startete die NASA den Fermi-Satel­liten, um den Gammastrahlen­himmel mit extrem hoher Genauigkeit abzubilden. Sein Haupt­instrument, das Large Area Telescope, nimmt seither Daten auf. Alle drei Stunden scannt es konti­nuierlich den gesamten Himmel ab. Der Großteil der detek­tierten Gamma-Strahlen wird in der Milch­straße erzeugt. Daneben konnte das Fermi-Teleskop 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. So können etwa Dreiviertel der Strahlung nicht erklärt werden.

Die Quelle des isotropen Gamma­strahlen-Hinter­grunds ist 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 Gamma­strahlen-Hinter­grunds könnten auch den Finger­abdruck des postu­lierten „Dunkle-Materie-Teilchens“ enthalten. Dieses Teilchen wurde bisher noch nicht entdeckt, wurde aber theo­retisch vorge­schlagen, um die fehlenden 80 Prozent der Materie in unserem 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 Gamma­strahlen-Hintergrunds 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 Gamma­strahlen-Hintergrund nachweisen konnte. Die Wissen­schaftler konnten nun zwei unter­schiedliche Beiträge voneinander unterscheiden. Eine Klasse von Gamma­strahlenquellen wird benötigt, um die Schwankungen bei niedrigen Energien unter 1 GeV zu erklären. Eine andere ­Art von Quellen zeichnet für die Fluktua­tionen mit höherer Energie verant­wortlich.

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. Auch die neue Analyse 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 Mattia Fornasa von der Universität Amsterdam. „Sie bestätigt, dass wenig Raum bleibt für eine durch dunkle Materie induzierte Gamma­strahlen­emission im isotropen Gammastrahlen-Hintergrund.“

Jedoch hat sich die Präzision der Fluk­tuations­messung seit dem ersten Ergebnis im Jahr 2012 deutlich verbessert. „Ich freue mich, dass unsere Messungen wichtige Erkennt­nisse über den Ursprung des Gamma­strahlen-Hinter­grunds liefern“, so Komatsu. „Meine ursprüng­liche Motivation im Jahr 2006 diese Analyse durchzuführen bestand darin, Beweise für Gamma­strahlen aus dunklen Materie­teilchen zu finden. Aber wir haben noch keine Gamma­strahlen aus dunkler Materie gefunden“, kommen­tiert Komatsu. Aber es sei aufregend, dass die Messungen zu einem neuen Verständnis der Popu­lationen von astrophysikalischen Quellen für Gamma­strahlen - wie Blazaren - führten. Noch hat Komatsu die Hoffnung nicht aufgegeben, die Gamma­strahlungs­signatur dunkler Materie zu finden.

MPA / JOL

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