Blitze erzeugen Antiteilchen

  • 11. January 2011

Im Magnetfeld der Erde werden Positronen gefangen.

Gewitter und das Magnetfeld der Erde sorgen mit Blitzen und dem Polarlicht nicht nur für schöne Bilder. Sie sind auch immer wieder für neue wissenschaftliche Entdeckungen verantwortlich. Forscher vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und des Florida Institute of Technology beobachteten mit dem Gammateleskop Fermi nun die Erzeugung von Antiteilchen durch Terrestrische Gammablitze (terrestric gamma flashes, TGFs) in Gewitterwolken und deren Bewegung im Erdmagnetfeld.

Nach Beschleunigung durch das starke elektrische Feld in Gewitterwolken senden Elektronen durch Wechselwirkung mit der Atmosphäre Bremsstrahlung aus. Diese Strahlung ist so hochenergetisch, dass sie auch außerhalb des Gewitters im Feld der Atome in der Atmosphäre Elektron-Positron-Paare erzeugen kann. Das inhomogene Magnetfeld der Erde kann die so entstandenen Teilchenschauer in einer magnetischen Flasche einfangen – ein Effekt der auch für das Polarlicht verantwortlich ist.

Die blaue Linie kennzeichnet die Trajektorien der Positronen in der magnetischen Flasche des Erdmagnetfeldes. Ursprung der Teilchen (roter Punkt) war ein Gewitter 4.500 km südlich des Satelliten (gelber Punkt). Im Diagramm (Detektorereignisse über die Zeit) sind gut die beiden Gammablitze im Abstand von 23 Millisekunden bei aufeinanderfolgenden Wechselwirkungen mit Fermi zu erkennen.

Abb.: Die blaue Linie kennzeichnet die Trajektorien der Positronen in der magnetischen Flasche des Erdmagnetfeldes. Ursprung der Teilchen (roter Punkt) war ein Gewitter 4.500 km südlich des Satelliten (gelber Punkt). Im Diagramm (Detektorereignisse über die Zeit) sind gut die beiden Gammablitze im Abstand von 23 Millisekunden bei aufeinanderfolgenden Wechselwirkungen mit Fermi zu erkennen. (Bild: NASA's Goddard Space Flight Center)

Zwischen den zwei Umkehrpunkten ihrer Falle umherfliegende Positronen wechselwirkten mit Elektronen des Satelliten Fermi, so die Vermutung der Wissenschaftler. Die Teilchen annihilierten sich und sorgten mit dem daraus resultierenden, charakteristischen Gammablitz bei 511 keV für ein sichtbares Signal im Gamma-ray Burst Monitor (GBM) des Fermi-Satelliten. Durch die zyklische Bewegung der Positronen kam es 23 Millisekunden später zu einem weiteren Zusammenstoß mit dem Satelliten.

Radioantennen auf der Erde halfen bei der Lokalisierung des Gewitters. Während sich Fermi über Ägypten befand, entstand der Teilchenschauer im 4.500 km entfernten Sambia. Noch ist der genaue Entstehungsmechanismus der Gammablitze und Antiteilchen nicht klar, denn bei weitem nicht alle beobachteten Gewitter führen zu Gammablitzen. Bei Millionen von Blitzen täglich gehen Wissenschaftler von nur etwa 500 TGFs pro Tag aus.

KK

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