Der Ursprung von Antimaterie in der Milchstraße

• Antragsteller: Dr. Thomas Siegert
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412997271

In den zentralen Bereichen der Milchstraße existiert eine Anhäufung von Antimaterie. Seit mehr als 40 Jahren wird die Vernichtungsstrahlung von Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen, aus der Richtung des galaktischen Zentrums (dem Bulge) beobachtet. Diese Vernichtung wird bei einer Photonenenergie von 511 keV gemessen, entsprechend der Ruhemasse des Elektrons. Die Frage, die sich seit Anbeginn der Gammastrahlenastronomie stellt, ist, woher die Antimaterieteilchen kommen und wieso nur der Bulge unserer Galaxie hell erscheint, obwohl die Quellen eher in der Scheibe der Milchstraße zu erwarten sind. Die teilchenphysikalischen Produktionsmechanismen für Positronen sind vielseitig, sodass verschiedene astrophysikalische Objekte als Kandidaten in Frage kommen. Bei radioaktiven Zerfällen von neu-synthetisierten Kernen in massereichen Sternen und Supernovae zum Beispiel, werden Positronen mit kinetischen Energien um 1 MeV erzeugt. Insbesondere 26Al mit einer charakteristischen Lebensdauer von einer Million Jahre, ist ein bedeutender Positronenerzeuger, denn der Zerfall dieser Kerne wird ebenfalls über Gammastrahlen, bei 1.8 MeV, in der Milchstraße beobachtet. Durch kohärente Messungen kann so ein direkter Zusammenhang zwischen Produktion und Vernichtung der Antiteilchen geknüpft werden. Alternativ können Positronen, die bei der Paarproduktion in starken elektromagnetischen Feldern um Neutronensterne oder Schwarze Löcher entstehen, bis zu TeV Energien erreichen. Die spektralen Charakteristiken der Vernichtungsstrahlung, die mit dem Gammastrahlen-Spektrometerteleskop SPI an Bord des INTEGRAL Satelliten der ESA gemessen wurden, deuten allerdings auf sehr langsame, bereits thermalisierte Positronen hin. Die Propagation und der Energieverlust der anfangs relativistischen kosmischen Anti-Teilchen müssen also eine erhebliche Rolle im ungelösten „Positronen-Puzzle“ spielen. Sollten sich die Positronen entlang des galaktischen Magnetfelds von der Scheibe in Richtung des Bulges bewegen, sollte auch ein Teil auf dem Weg dorthin vernichtet werden, solange sie ähnliche Bedingungen im interstellaren Medium vorfinden. INTEGRAL/SPI hat so ein leuchtschwaches Signal in der Scheibe als einziges Instrument gemessen. Ziel dieses Projekts ist es nun mithilfe von Daten des neuen und modernen Compton Spectrometer and Imager (COSI) die 511 keV Strahlung komplementär zu vermessen. COSI hat im Jahr 2016, während eines 46-tägigen Ballonflugs, den Gammastrahlenhimmel zwischen 200 keV und 5 MeV beobachtet. Dieses Projekt umfasst die erste gemeinsame Datenanalyse von Teleskopen, die gleichzeitig die diffuse galaktische Gammastrahlung gemessen haben. Sie wird dazu beitragen, sowohl Antimateriesenken, als auch Antimateriequellen, z. B. 26Al, besser zu kartographieren und über spektrale Analysen die jeweiligen Bedingungen im interstellaren Medium zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Steven E. Boggs, Ph.D.