Die massivsten Sternexplosionen im Licht der Elementarteilchen

Bochumer und Dortmunder Forscher analysieren Schockfront um sterbende Sterne

Mehrere astronomische Experimente haben in jüngster Zeit mysteriöse Komponenten von Elementarteilchen im Universum gemessen. Doch der Ursprung der Elektronen und Positronen blieb bislang im Dunkeln. Ist wirklich, wie einige Physiker spekulieren, dunkle Materie die Ursache für diese Strahlung? Ein internationales Astrophysikerteam um die Bochumerin Julia Becker und den Dortmunder Wolfgang Rhode haben jetzt eine einfache Erklärung gefunden: Gigantische Sterne, mindestens fünfzehnmal so schwer wie unsere Sonne, senden bei ihrem Tod in einer finalen Explosion die Elementarteilchen aus.

Der auf Basis dieser Theorie berechnete Fluss an Elektronen und Positronen stimmt mit dem in den astronomischen Experimenten beobachteten und bislang rätselhaften Signal überein. Wie sie die Beobachtungen mit ihrer Theorie der schweren Sternexplosionen erklären, erläutert die sechsköpfige Gruppe von internationalen Forschern in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters.

In mehreren astronomischen Experimenten wurde kürzlich von der Beobachtung einer mysteriösen Komponente von Elektronen und Positronen aus dem Universum berichtet. Die Quellen dieser Elementarteilchen kann von den Experimenten selbst nicht identifiziert werden: Kosmische Magnetfelder lenken sie von ihren Bahnen ab und verwischen ihre Spur. Seit der Veröffentlichung der Messungen wurden viele Versuche unternommen, den Ursprung dieser Teilchenstrahlung zu erklären. Unter anderem wurde die These aufgestellt, ein solches Signal sei einzig durch die so genannte dunkle Materie erklärbar - eine Materieart, deren Ursprung bisher noch völlig unbekannt ist. "Aber die Natur hat vielleicht eine viel einfachere Erklärung für die beobachteten Teilchen", sagt Julia Becker, die mit einem Forscherteam von Instituten aus Deutschland, den USA und Schweden zusammenarbeitet. Das Team erklärt die Teilchenstrahlung mit Explosionen von gigantischen Sternen, die mehr als das 15-fache der Masse unserer Sonne besitzen.

Ein sterbender Stern mit hoher Masse schleudert die meiste Materie, Plasma genannt, in einer finalen Explosion von sich. Die Folge ist, dass das ausgestoßene Plasma unausweichlich auf die den Stern umgebende Materie zuläuft - den sog. Sternenwind. Dieser bildet sich um die massiven Sterne, da sie schon in einem früheren Stadium einen Teil ihrer Hülle abgeben, bevor sie in der letzten Explosion vergehen. "Bei der Kollision der schnellen Materie aus der finalen Explosion mit dem Plasma früherer Ausstoßungen entstehen dann sog. Schockfronten, ähnlich wie man sie etwa auch bei Überschallflugzeugen beobachten kann", erklärt der Dortmunder Astrophysiker Wolfgang Rhode: "Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, wird die das Flugzeug umgebende Luft mit einer Geschwindigkeit nach außen gedrängt, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Es kommt zum Überschallknall, der sich in Form einer Schockfront ausbreitet." Als Schockfront bezeichnet man die sprunghafte Änderung der Dichte des Mediums an sich - dort, wo das Flugzeug die Materie wegschiebt, entsteht eine hohe Dichte, während auf der anderen Seite des Schocks die niedrige Dichte der ungestörten Atmosphäre herrscht. Genau dasselbe geschieht, wenn ein Plasma mit hoher Geschwindigkeit in ein langsameres Plasma gedrückt wird, wie es bei den Explosionen der gigantischen Sternen der Fall ist.

Wie nun in den Schockfronten der schweren Sternexplosionen Elektronen und Positronen beschleunigt werden, erklären die Forscher in ihrem Artikel: Indem sich das Plasma seinen Weg durch den Sternenwind bahnt, entstehen zwei unterschiedliche Regionen, in welchen sich jeweils unterschiedliche Schocks bilden. Auf fast der gesamten Oberfläche sind die Magnetfelder des Sterns senkrecht zu der Geschwindigkeit der Schockfront ausgerichtet. Hier entsteht ein niederenergetisches Signal von Elektronen und Positronen. Gleichzeitig ist das Magnetfeld an den Polen des ehemals rotierenden Sterns parallel zur Geschwindigkeit des Schocks ausgerichtet. Hierdurch wird hochenergetische Elektronenstrahlung erzeugt. Beide Komponenten sind in dem beobachteten Spektrum der Elektronen und Positronen sichtbar und die Messungen können mit dem Modell des Forscherteams hervorragend erklärt werden. "Für die dunkle Materie heißt das, dass sie Elektronen und Positronen nicht in gleichem Maße produziert wie die Riesensterne und dass man sie daher an anderer Stelle suchen muss", folgert Becker.

Ruhr-Universität Bochum und TU Dortmund

AL