Ein winziger Stern entfesselt einen gigantischen Strahl aus Materie, Antimaterie

Astronomen haben mit dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA einen Strahl aus Materie und Antimaterie abgebildet, der 40 Billionen Meilen lang ist. Der rekordverdächtige Strahl wird von einem Pulsar angetrieben, einem schnell rotierenden kollabierten Stern mit einem starken Magnetfeld.

Mit seiner enormen Größe könnte dieser Strahl dazu beitragen, die überraschend große Anzahl von Positronen, den Antimaterie-Gegenstücken zu Elektronen, in der gesamten Milchstraße zu erklären.

Astronomen entdeckten den Strahl oder das Filament erstmals im Jahr 2020, aber sie kannten seine volle Länge nicht, da er sich über den Rand des Chandra-Detektors hinaus erstreckte. Neue Chandra-Beobachtungen desselben Forscherpaars, die im Februar und November 2021 aufgenommen wurden, zeigen, dass das Filament etwa dreimal so lang ist wie ursprünglich gesehen. Das Filament überspannt etwa die Hälfte des Durchmessers des Vollmonds am Himmel und ist damit das längste eines Pulsars, wie es von der Erde aus gesehen wird.

„Es ist erstaunlich, dass ein Pulsar mit einem Durchmesser von nur 10 Meilen eine Struktur schaffen kann, die so groß ist, dass wir sie aus Tausenden von Lichtjahren Entfernung sehen können“, sagte Martijn de Vries von der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien, der die Studie leitete. „Wenn sich das Filament bei gleicher relativer Größe von New York bis Los Angeles erstrecken würde, wäre der Pulsar etwa 100-mal kleiner als das kleinste mit bloßem Auge sichtbare Objekt.“

Der Pulsar heißt PSR J2030+4415 und befindet sich etwa 1.600 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dieses stadtgroße Objekt dreht sich etwa dreimal pro Sekunde, schneller als die meisten Deckenventilatoren.

Dieses Ergebnis könnte neue Einblicke in die Quelle der Antimaterie der Milchstraße liefern, die der gewöhnlichen Materie ähnelt, jedoch mit umgekehrten elektrischen Ladungen. Zum Beispiel ist ein Positron das positiv geladene Äquivalent zum Elektron.

Der überwiegende Teil des Universums besteht eher aus gewöhnlicher Materie als aus Antimaterie. Wissenschaftler finden jedoch weiterhin Hinweise auf relativ viele Positronen in Detektoren auf der Erde, was zu der Frage führt: Was sind mögliche Quellen dieser Antimaterie?

Die Forscher der neuen Chandra-Studie glauben, dass Pulsare wie PSR J2030+4415 eine Antwort sein könnten. Die Kombination zweier Extreme – schnelle Rotation und hohe Magnetfelder von Pulsaren – führt zu Teilchenbeschleunigung und hochenergetischer Strahlung, die Elektronen- und Positronenpaare erzeugt. (Der übliche Prozess der Umwandlung von Masse in Energie, der bekanntermaßen durch Albert Einsteins E = mc2-Gleichung bestimmt wird, wird umgekehrt, und Energie wird in Masse umgewandelt.)

Der Pulsar kann diese Positronen in die Galaxie lecken. Pulsare erzeugen Winde aus geladenen Teilchen, die normalerweise in ihren starken Magnetfeldern eingeschlossen sind. Der Pulsar bewegt sich mit etwa einer Million Meilen pro Stunde durch den interstellaren Raum, wobei der Wind hinter ihm herzieht. Ein Bugstoß aus Gas bewegt sich vor dem Pulsar entlang, ähnlich wie der Wasserstau vor einem fahrenden Boot. Vor etwa 20 bis 30 Jahren scheint die Bewegung des Bugschocks jedoch ins Stocken geraten zu sein, und der Pulsar holte ihn ein, was zu einer Wechselwirkung mit dem interstellaren Magnetfeld führte, die fast in einer geraden Linie von links nach rechts verlief.

„Dies hat wahrscheinlich ein Partikelleck ausgelöst“, sagte Co-Autor Roger Romani, ebenfalls von Stanford. „Das Magnetfeld des Pulsarwinds verband sich mit dem interstellaren Magnetfeld, und die hochenergetischen Elektronen und Positronen spritzten durch eine durch Verbindung gebildete Düse heraus.“

Als sich die Teilchen dann mit etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit entlang dieser interstellaren Magnetfeldlinie bewegten, beleuchteten sie sie mit Röntgenstrahlen. Dies erzeugte den langen Faden, den Chandra sah.

Zuvor haben Astronomen große Halos um nahegelegene Pulsare im Gammastrahlenlicht beobachtet, was darauf hindeutet, dass energiereiche Positronen im Allgemeinen Schwierigkeiten haben, in die Galaxie zu gelangen. Dies widerlegt die Vorstellung, dass Pulsare den von Wissenschaftlern entdeckten Positronenüberschuss erklären. Kürzlich entdeckte Pulsarfilamente wie PSR J2030+4415 zeigen jedoch, dass Partikel tatsächlich in den interstellaren Raum entweichen und schließlich die Erde erreichen könnten.

Ein Papier, das diese Ergebnisse beschreibt, wird in erscheinen Das Astrophysikalische Journal und ist online verfügbar.