Astronomen haben 13 Jahre lang Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA analysiert und ein unerwartetes und bisher ungeklärtes Phänomen außerhalb unserer Galaxie entdeckt.
„Es ist eine völlig zufällige Entdeckung“, sagte Alexander Kashlinsky, Kosmologe an der University of Maryland und am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, der die Forschung auf der University of Maryland vorstellte 243. Treffen der American Astronomical Society in New Orleans. „Wir haben ein viel stärkeres Signal gefunden, und zwar in einem anderen Teil des Himmels als das, nach dem wir gesucht hatten.“
Interessanterweise wird das Gammastrahlensignal in einer ähnlichen Richtung und mit nahezu identischer Stärke gefunden wie ein anderes ungeklärtes Merkmal, das von einigen der energiereichsten kosmischen Teilchen erzeugt wird, die jemals entdeckt wurden.
A Papier Die Beschreibung der Ergebnisse ist veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
Oben: Eine Karte des gesamten Himmels mit extragalaktischen Gammastrahlen, in der die Zentralebene unserer Galaxie, in dunkelblau dargestellt, wo die Daten entfernt wurden, durch die Mitte verläuft. Der rote Punkt und die Kreise geben die ungefähre Richtung an, aus der offenbar mehr Gammastrahlen als im Durchschnitt eintreffen. Unten: Eine ähnliche Karte des gesamten Himmels, die die Verteilung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung zeigt, die vom Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien entdeckt wurde. Rot zeigt Richtungen an, aus denen überdurchschnittlich viele Partikel eintreffen, Blau zeigt Richtungen mit weniger als dem Durchschnitt an. Dieses Video überlagert die Fermi-Karte mit der Karte der kosmischen Strahlung und veranschaulicht so die Ähnlichkeit der Dipolrichtungen. Kredit: Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/acfedd und die Pierre Auger Collaboration
Das Team suchte nach einem Gammastrahlenmerkmal, das mit dem CMB (Cosmic Microwave Background) zusammenhängt, dem ältesten Licht im Universum. Wissenschaftler sagen, dass die CMB entstand, als das heiße, expandierende Universum ausreichend abgekühlt war, um die ersten Atome zu bilden, ein Ereignis, das einen Lichtstoß auslöste, der zum ersten Mal den Kosmos durchdringen konnte. Dieses durch die anschließende Ausdehnung des Weltraums in den letzten 13 Milliarden Jahren ausgedehnte Licht wurde erstmals 1965 in Form schwacher Mikrowellen am gesamten Himmel entdeckt.
In den 1970er Jahren erkannten Astronomen, dass der CMB eine sogenannte Dipolstruktur hatte, die später von der NASA-Mission COBE (Cosmic Background Explorer) mit hoher Präzision gemessen wurde. Der CMB ist in Richtung des Sternbildes Löwe etwa 0,12 % heißer, mit mehr Mikrowellen als der Durchschnitt, und in der entgegengesetzten Richtung um den gleichen Betrag kälter, mit weniger Mikrowellen als der Durchschnitt.
Um die winzigen Temperaturschwankungen innerhalb des CMB zu untersuchen, muss dieses Signal entfernt werden. Astronomen betrachten das Muster im Allgemeinen als Ergebnis der Bewegung unseres eigenen Sonnensystems relativ zum CMB mit etwa 230 Meilen (370 Kilometern) pro Sekunde.
Das Team suchte nach einem Gammastrahlensignal, das mit der Bewegung unseres Sonnensystems von etwa 230 Meilen (370 Kilometer) pro Sekunde relativ zum CMB zusammenhängt, das allgemein als verantwortlich für die Dipolemission angesehen wird, die es zeigt. Stattdessen fanden sie ein Gammastrahlensignal, das zehnmal stärker war als aufgrund der Bewegung unserer Galaxie zu erwarten war und weit vom CMB-Dipol entfernt lag. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Diese Bewegung führt zu einem Dipolsignal im Licht jeder astrophysikalischen Quelle, aber bisher ist der CMB der einzige, der genau gemessen wurde. Durch die Suche nach dem Muster in anderen Lichtformen könnten Astronomen die Idee bestätigen oder in Frage stellen, dass der Dipol ausschließlich auf die Bewegung unseres Sonnensystems zurückzuführen ist.
„Eine solche Messung ist wichtig, weil eine Unstimmigkeit mit der Größe und Richtung des CMB-Dipols uns einen Einblick in physikalische Prozesse geben könnte, die im sehr frühen Universum abliefen, möglicherweise bis in die Zeit zurück, als es weniger als eine Billionstelsekunde alt war.“ sagte Co-Autor Fernando Atrio-Barandela, Professor für theoretische Physik an der Universität Salamanca in Spanien.
Das Team kam zu dem Schluss, dass durch die Addition langjähriger Daten von Fermis LAT (Large Area Telescope), das mehrmals am Tag den gesamten Himmel abtastet, ein ähnliches Dipol-Emissionsmuster in Gammastrahlen nachgewiesen werden könnte. Dank der Relativitätseffekte dürfte der Gammastrahlendipol im Vergleich zu den derzeit nachgewiesenen CMBs um das Fünffache verstärkt werden.
Die Wissenschaftler kombinierten 13 Jahre Beobachtungen von Gammastrahlen über etwa 3 Milliarden Elektronenvolt (GeV) mit dem Fermi Large Area Telescope, entfernten alle diskreten Quellen und entfernten die Zentralebene unserer Milchstraßengalaxie, um den extragalaktischen Gammastrahlenhintergrund zu analysieren. Die Analyse der resultierenden Daten ergab einen Teil des Himmels, in dem überdurchschnittlich mehr hochenergetische Gammastrahlen eintreffen. Die Richtung ist nicht genau bekannt. Die Kreise zeigen Regionen, in denen bei einem Analyseansatz eine Wahrscheinlichkeit von 68 % bzw. 95 % besteht, den Ursprung dieser Gammastrahlen einzudämmen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Die Wissenschaftler kombinierten 13 Jahre Fermi-LAT-Beobachtungen von Gammastrahlen über etwa 3 Milliarden Elektronenvolt (GeV); Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat Energien zwischen etwa 2 und 3 Elektronenvolt. Sie entfernten alle aufgeklärten und identifizierten Quellen und zerlegten die Zentralebene unserer Milchstraße, um den extragalaktischen Gammastrahlenhintergrund zu analysieren.
„Wir haben einen Gammastrahlen-Dipol gefunden, aber sein Höhepunkt befindet sich am Südhimmel, weit entfernt von den CMBs, und seine Stärke ist zehnmal größer als das, was wir von unserer Bewegung erwarten würden“, sagte Co-Autor Chris Shrader, ein Astrophysiker an der Catholic University of America in Washington und Goddard. „Obwohl es nicht das ist, wonach wir gesucht haben, vermuten wir, dass es mit einem ähnlichen Merkmal zusammenhängt, das für die kosmische Strahlung mit der höchsten Energie berichtet wurde.“
Kosmische Strahlung sind beschleunigte geladene Teilchen – hauptsächlich Protonen und Atomkerne. Die seltensten und energiereichsten Teilchen, sogenannte UHECRs (ultrahochenergetische kosmische Strahlung), tragen mehr als eine Milliarde Mal die Energie von 3 GeV-Gammastrahlen, und ihre Herkunft bleibt eines der größten Rätsel der Astrophysik.
Seit 2017 meldet das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien einen Dipol in der Ankunftsrichtung von UHECRs. Da die kosmische Strahlung elektrisch geladen ist, wird sie je nach Energie unterschiedlich stark vom Magnetfeld der Galaxie abgelenkt, der UHECR-Dipol erreicht jedoch seinen Höhepunkt an einer Stelle am Himmel, die der ähnelt, die Kashlinskys Team bei Gammastrahlen feststellt. Und beide haben auffallend ähnliche Größenordnungen – etwa 7 % mehr Gammastrahlen oder Partikel als der Durchschnitt kommen aus einer Richtung und entsprechend kleinere Mengen kommen aus der entgegengesetzten Richtung.
Die Wissenschaftler halten es für wahrscheinlich, dass die beiden Phänomene miteinander zusammenhängen – dass bisher unbekannte Quellen sowohl die Gammastrahlung als auch die ultrahochenergetischen Teilchen produzieren. Um dieses kosmische Rätsel zu lösen, müssen Astronomen entweder diese mysteriösen Quellen lokalisieren oder alternative Erklärungen für beide Merkmale vorschlagen.
Mehr Informationen:
A. Kashlinsky et al., Untersuchung des Dipols des diffusen Gammastrahlenhintergrunds, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/acfedd