Eine Illustration eines Neutronensterns, der im Herzen der Supernova-Trümmer sitzt und Gammastrahlen von seinen Polen ausstößt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Gamma-Strahlen, die von Neutronensternen im Herzen von Supernova-Explosionen ausgehen, könnten das Rätsel der dunklen Materie lösen – in nur 10 Sekunden. Das heißt, wenn die dunkle Materie aus Axionen besteht, die hypothetische leichte Teilchen sind, die derzeit die führenden Kandidaten für dunkle Materie sind.
Das Team der University of California, Berkeley, das hinter dieser Theorie steht, ist der Meinung, dass eine Supernova, die nahe genug an der Erde ausbricht, es uns ermöglichen würde, ihre Emissionen von hochenergetischem Licht nachzuweisen, die Masse der Axionen zu bestätigen und somit das ganze Rätsel der dunklen Materie zu lösen, wenn sie wahr ist.
Die erforderliche Supernova-Explosion müsste von einem massiven Stern ausgehen, der entweder in der Milchstraße oder in einer ihrer Satellitengalaxien, wie der Großen Magellanschen Wolke, stirbt und explodiert. Derartige Ereignisse finden im Durchschnitt alle paar Jahrzehnte statt, wobei die letzte Supernova, die als Supernova 1987A bezeichnet wird, im Jahr 1987 in der Großen Magellanschen Wolke explodiert ist.
Wenn die Forscher Recht haben, könnte die Suche nach dunkler Materie, die die Astronomen seit Jahrzehnten beunruhigt, mit etwas Glück schon in naher Zukunft gelöst werden.
Eine Entdeckung der verräterischen Gammastrahlen würde voraussetzen, dass das einzige weltraumgestützte Gammastrahlenteleskop der Menschheit, das Fermi Gamma-ray Space Telescope, in die Richtung der nahen Supernova zeigt, wenn sie explodiert. Berücksichtigt man das Sichtfeld von Fermi, steht die Chance, dass dies geschieht, bei 1 zu 10.
Das Team ist der Meinung, dass ein einziger Nachweis von Gammastrahlen von einem Neutronenstern im Zentrum der Supernova-Trümmer ausreichen würde, um die Masse des Axions aus einem breiten Spektrum von theoretischen Massen zu bestimmen, die derzeit für diese hypothetischen Teilchen vorgeschlagen werden. Das Team ist besonders an der Entdeckung einer Art von Axion interessiert, dem so genannten QCD-Axion. Im Gegensatz zu anderen hypothetischen Axionen ist die Masse des QCD-Axions temperaturabhängig.
„Wenn wir eine Supernova wie die Supernova 1987A mit einem modernen Gammateleskop sehen würden, könnten wir dieses QCD-Axion nachweisen oder ausschließen“, sagte Benjamin Safdi, Hauptautor der Studie und außerordentlicher Professor für Physik an der University of California Berkeley, in einer Erklärung. „Und das alles würde innerhalb von 10 Sekunden geschehen.“
Warum Gammastrahlen?
Die dunkle Materie stellt für die Wissenschaftler ein so beunruhigendes Problem dar, weil sie die Teilchen der „alltäglichen Materie“ im Universum im Verhältnis 5 zu 1 überwiegt. Das ist bedeutsam, weil jeder Stern, jede kosmische Staubwolke, jeder Mond, jeder Asteroid, jeder Planet, jeder Mensch, jedes Tier und jeder unbelebte Gegenstand, der unser Leben erfüllt, aus alltäglicher Materie besteht.
Dunkle Materie ist auch deshalb so heikel, weil sie nicht mit Licht wechselwirkt – oder, falls doch, ist diese Wechselwirkung so schwach, dass wir sie nicht sehen können. Das macht dunkle Materie praktisch unsichtbar. Bei der Suche nach den Teilchen, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte, haben sich Axionen als die wichtigsten Kandidaten herauskristallisiert.
Das ist praktisch, weil diese Teilchen nicht nur gut in das Standardmodell der Teilchenphysik passen, sondern auch für andere Rätsel verantwortlich sind. So könnten sie beispielsweise der Schlüssel zur Vereinheitlichung von Albert Einsteins Gravitationstheorie, der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik sein.
„Es scheint fast unmöglich, eine konsistente Theorie der Schwerkraft in Verbindung mit der Quantenmechanik zu haben, in der es keine Teilchen wie das Axion gibt“, erklärt Safidi.
Während viele Experimente auf der Erde den Teilchenzoo durchforstet haben, um die Existenz von Axionen zu bestätigen, haben viele Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf die extremsten Sterne des Universums, die Neutronensterne, gerichtet, da sie vermuten, dass sie diese hypothetischen Teilchen beherbergen könnten.
Eine Illustration eines von dunkler Materie umhüllten Neutronensterns (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Neutronensterne entstehen, wenn massereichen Sternen der Brennstoff für die Kernfusion in ihrem Kern ausgeht und der Strahlungsdruck nach außen, den sie seit Milliarden von Jahren erzeugt haben, nachlässt. Da ihre Kerne schnell kollabieren, werden Schockwellen in die oberen Schichten dieser massereichen Sterne geschleudert und lösen Supernovas aus, die den größten Teil der Masse des Sterns wegblasen. Das Ergebnis sind Neutronensterne mit einer Masse, die ein- bis zweimal so groß wie die der Sonne ist, und einer Breite von etwa 20 Kilometern (12 Meilen).
Wissenschaftler haben vorgeschlagen, nach Axionen zu suchen, die im Inneren von Neutronensternen entstehen, kurz nachdem die Kernkollaps-Supernova, aus der sie hervorgehen, stattfindet. Diese Bemühungen konzentrierten sich hauptsächlich auf Axionen, die langsam Photonen (die Grundteilchen des Lichts) oder Gammastrahlen erzeugen, wenn die Teilchen auf die Magnetfelder um Galaxien treffen.
Safdi und Kollegen stellten die Theorie auf, dass dieser Prozess nicht sehr effizient bei der Erzeugung von Gammastrahlen ist, zumindest nicht in ausreichenden Mengen, um sie von der Erde aus nachzuweisen. Sie konzentrierten sich daher auf einen ähnlichen kosmischen Prozess, der jedoch in den starken Magnetfeldern stattfindet, die die Neutronensterne selbst umgeben. Sie fanden heraus, dass diese Region einen Ausbruch von Gammastrahlen auslösen kann, der der Masse der Axionen entspricht und mit einem Ausbruch von „Geisterteilchen“ oder Neutrinos aus dem Herzen des jeweiligen Neutronensterns zusammenfällt.
Dieser Ausbruch von Axionen würde nur 10 Sekunden nach der Entstehung des Neutronensterns anhalten, wobei die Produktionsrate dieser hypothetischen Teilchen Stunden vor der Explosion der äußeren Schichten des Sterns drastisch abfällt.
„Dies hat uns dazu veranlasst, über Neutronensterne als optimale Ziele für die Suche nach Axionen als Axion-Laboratorien nachzudenken“, sagte Safdi. „Neutronensterne haben eine Menge Vorteile. Sie sind extrem heiße Objekte. Außerdem besitzen sie sehr starke Magnetfelder. Die stärksten Magnetfelder in unserem Universum befinden sich in der Umgebung von Neutronensternen, wie z. B. Magnetare, deren Magnetfelder zehn Milliarden Mal stärker sind als alles, was wir im Labor aufbauen können. Das hilft dabei, diese Axionen in beobachtbare Signale umzuwandeln.“
</p><p>Auf dieser Grundlage und unter Berücksichtigung der Abkühlungsrate von Neutronensternen, die Axionen und Neutrinos produzieren, ermittelten Safdi und seine Kollegen, dass die obere Masse des QCD-Axions wahrscheinlich 32 Mal kleiner ist als die Masse des Elektrons.</p><p>In dieser neuen Arbeit beschrieb das Team die Erzeugung von Gammastrahlen nach der Kernkollaps-Supernova, die einen Neutronenstern erzeugte, und untersuchte die Bedeutung der Tatsache, dass Fermi bei der Explosion der Supernova 1987A keine Gammastrahlen nachweisen konnte. Daraus schlossen die Forscher, dass der Nachweis von Gammastrahlen aus einem solchen explosiven Ereignis es ihnen ermöglichen würde, das QCD-Axion zu entdecken, wenn es eine Masse hat, die größer als ein Zehnmilliardstel der Masse des Elektrons ist. Ein einziger Nachweis, so argumentieren sie, würde ausreichen, um die Suche nach Axionen neu auszurichten und ihre Masse zu bestätigen.</p><p>„Das beste Szenario für Axionen ist, dass Fermi eine Supernova einfängt. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist allerdings gering“, sagte Safdi. „Aber wenn Fermi sie sehen würde, könnten wir ihre Masse messen. Wir könnten die Stärke der Wechselwirkung messen. Wir wären in der Lage, alles zu bestimmen, was wir über das Axion wissen müssen, und wir wären unglaublich zuversichtlich, was das Signal angeht, denn es gibt keine gewöhnliche Materie, die ein solches Ereignis erzeugen könnte.“</p><p>Das Team ist sich bewusst, dass die Gefahr besteht, die von Axionen erzeugten Gammastrahlen zu verpassen, die von den nächsten lang erwarteten Supernova-Ausbrüchen in der Nähe der Milchstraße stammen.</p><p> Um dies zu vermeiden, arbeitet das Team mit Wissenschaftlern zusammen, die Gammastrahlen-Teleskope bauen, um herauszufinden, wie machbar es wäre, 100 % des Himmels rund um die Uhr zu beobachten. Dies würde sicherstellen, dass jede Gammastrahlung, die aus einer Supernova entweicht, entdeckt werden würde. Die Forscher haben vorgeschlagen, die Gammastrahlen-Satellitenkonstellation, die den ganzen Himmel abdecken soll, Galactic Axion Instrument for Supernova (GALAXIS) zu nennen.</p><p>„Ich glaube, wir alle, die an diesem Papier mitgearbeitet haben, sind besorgt, dass es eine nächste Supernova geben könnte, bevor wir das richtige Instrumentarium haben“, sagte Safdi. „Es wäre wirklich schade, wenn morgen eine Supernova entstünde und wir die Gelegenheit verpassen würden, das Axion nachzuweisen – es könnte erst in 50 Jahren wieder auftauchen.“</p><p>Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 19. November in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.</p><div class=)
