Fluktuierende Gammastrahlung
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 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
