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Kosmische Strahlung: Sonnenkraft statt Dunkler Materie?

Neue Messungen belegen den Einfluss des schwankenden Magnetfelds der Sonne auf Teilchen der kosmischen Strahlung. Dies könnte einen ungewöhnlichen Positronenüberschuss erklären, ohne dass Dunkle Materie eine Rolle spielen muss.
Sonne im RöntgenlichtLaden...

Unaufhörlich prasseln hochenergetische Teilchen aus den Tiefen des Alls auf die Erdatmosphäre. Sie stammen aus Regionen mit extremen physikalischen Bedingungen: Supernova-Schockfronten, Pulsare, Schwarze Löcher und ähnliche Objekte sind in der Lage, Teilchen auf gigantische Energien zu beschleunigen. Einige dieser Teilchen sind um viele Größenordnungen energiereicher als alles, was sich mit irdischen Beschleunigern erreichen lässt. Messungen der letzten Jahre hatten dabei einen überraschend hohen Anteil an hochenergetischen Positronen ergeben, den Antimaterie-Schwesterteilchen der Elektronen. Seit geraumer Zeit wird darüber spekuliert, dass dafür die Dunkle Materie verantwortlich sein könnte. Wie mehr als 1200 Veröffentlichungen zum Thema belegen, ist der Positronenüberschuss der kosmischen Strahlung in der Astrophysik ein ziemlich heißes Eisen.

Weil die Teilchen so hohe Energien besitzen, können sie uns Einblicke in physikalische Hochenergieprozesse gewähren, die selbst dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger CERN und seinen Nachfolgern auf lange Zeit verschlossen bleiben werden. Denn Effekte Dunkler Materie vermutet man vor allem bei sehr hohen Energien. So erhoffen sich Astro- und Teilchenphysiker von der kosmischen Strahlung Hinweise auf neue Physik. Aber nur ein genaues Studium dieser Teilchen erlaubt es, sowohl ihre Ursprungsorte besser zu verstehen als auch das interstellare Medium, durch das sie auf ihrem Weg bis zur Erde fliegen.

Ein internationales Team unter italienischer Leitung hat nun Messdaten veröffentlicht, die die Effekte aufklären helfen. Eine spektakuläre Entdeckung – wie etwa Hinweise auf Effekte Dunkler Materie – bleibt dabei aus. Stattdessen liefert die neue Studie interessante Aspekte darüber, wie das sich ständig ändernde Magnetfeld der Sonne Einfluss auf die Teilchen der kosmischen Strahlung nimmt.

Fast ein kompletter Sonnenzyklus im Kasten

Die Forscher werteten Daten des PAMELA-Satellitenprojekts aus. PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) ist ein Weltraumexperiment mit mehreren Detektoreinheiten, das sich an Bord eines russischen Telekommunikationssatelliten befindet und ständig die einfallende kosmische Strahlung überwacht. Der Satellit ist im Juni 2006 ins All gestartet. Seitdem nimmt PAMELA durchgehend Daten. Die Wissenschaftler hatten für ihre Studie also fast einen kompletten Sonnenzyklus an Messungen zur Verfügung. Dies ist deshalb sehr wichtig, weil sich im elfjährigen Sonnenzyklus Phasen mit minimaler magnetischer Aktivität und solche mit maximaler Aktivität abwechseln, was mit Sonneneruptionen und starken Partikelströmen einhergeht, die sich durch die gesamte Heliosphäre ziehen können.

Die Heliosphäre ist so etwas wie die Atmosphäre unseres Sonnensystems: In diesem Bereich, der teilweise über 100-mal weiter ins All reicht, als die Erde von der Sonne entfernt ist, strömen die Teilchen des Sonnenwindes nach außen und blasen die Materie des interstellaren Mediums heraus. Hochenergetische Teilchen der kosmischen Strahlung können dennoch in die Heliosphäre eindringen, unterliegen in dieser Blase aber den Auswirkungen des wechselhaften Sonnenwinds.

Erste Messungen lieferten unerwartete Ergebnisse. "PAMELA zeigte vor einigen Jahren, dass der Anteil an Positronen nur ungefähr die Hälfte im Vergleich zu früheren Messungen betrug", sagt Riccardo Munini vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Triest, korrespondierender Autor der neuen Studie. Dabei hatten die Forscher Positronen im Energiebereich von einem halben bis fünf Gigaelektronvolt untersucht. Die meisten Experten erwarten sichtbare Effekte Dunkler Materie erst bei höheren Energien. Solch hochenergetische Positronen sind aber sehr viel seltener als Positronen mit geringerer Energie. Noch dazu sind Positronen in der kosmischen Strahlung ohnehin nicht allzu häufig vertreten: Nur ein Positron kommt auf 1000 Protonen, die Hauptkomponente der kosmischen Strahlung.

Sonne ist mindestens für einen Teil der Häufung verantwortlich

Im Jahr 2015 wechselte nun die Sonne auf Grund ihres Zyklus die Richtung ihres Magnetfelds. Dies schlug sich in einem steilen Anstieg des Verhältnisses von Positronen zu Elektronen der kosmischen Strahlung nieder. Elektronen und Positronen können wegen ihrer unterschiedlichen Ladung je nach Ausrichtung des Sonnenmagnetfelds mit mehr oder weniger Widerstand durch unser Sonnensystem fliegen. Damit scheint unser Zentralgestirn zumindest für einen Teil der ungewöhnlichen Häufigkeit der Positronen verantwortlich zu sein.

Auch wenn damit die große Überraschung ausbleibt: Die neuen Ergebnisse von PAMELA bestätigen wichtige Modelle zur Wechselwirkung der Positronen mit dem Plasmastrom des Sonnenwinds. An Bord der Internationalen Raumstation befindet sich mit AMS-02 ein ähnliches Experiment zur Messung der kosmischen Strahlung. Auch seine Daten bestätigen die Ergebnisse der PAMELA-Kollaboration.

Die Wissenschaftler freuen sich über diese klaren Ergebnisse auch deshalb, weil die Heliosphäre so etwas wie ein Miniaturmodell für das interstellare Medium ist, das unsere gesamte Galaxie durchzieht. Zwar sind die Räume zwischen den Sternen unglaublich viel größer und die Dichte an Teilchen sehr viel geringer als bei den Verhältnissen in unserem Sonnensystem, aber in beiden Fällen handelt es sich um ein dünnes Plasma mit magnetischen Strukturen, das Einfluss auf die kosmische Strahlung besitzt.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt lässt sich jedoch noch kein abschließendes Wort zur Herkunft der hochenergetischen Positronen sagen. "Während bekannte astrophysikalische Quellen – am wahrscheinlichsten Pulsare in der Milchstraße – den hohen Anteil an Positronen erklären könnten, gibt es auch Modelle zur Dunklen Materie, die dies ebenfalls verständlich machen", sagt Illias Cholis von der John Hopkins University, der an der Studie nicht beteiligt war.

Deshalb heißt es nun zunächst: weiter Daten nehmen. Für ihre nächsten Studien wollen die Forscher der PAMELA-Kollaboration auch andere exotische und seltene Teilchen der kosmischen Strahlung wie etwa Antiprotonen untersuchen. Ob dies einen Hinweis auf neue Physik mit Dunkler Materie liefern kann, lässt sich gegenwärtig aber kaum abschätzen. Man darf gespannt bleiben.

26/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 26/2016

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