Wissenschaftlern ist es gelungen, im Teilchenbeschleuniger CERN Bedingungen nachzubilden, die „kosmischen Feuerbällen“ ähneln, ein bahnbrechendes Experiment, das darauf abzielt, das rätselhafte Verschwinden hochenergetischer Gammastrahlen aus entfernten Galaxien zu verstehen. Diese Errungenschaft könnte entscheidende Erkenntnisse über den Ursprung magnetischer Felder im intergalaktischen Raum und das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen liefern.
Simulation extremer Universumsbedingungen
Die von Wissenschaftlern der Universität Oxford und der Central Laser Facility des Science and Technology Facilities Council (STFC) durchgeführte Forschung nutzte die HiRadMat-Anlage des CERN und das Super Proton Synchrotron, um Paare aus Materie- und Antimaterieteilchen (Elektronen und Positronen) zu erzeugen. Diese Partikel wurden dann durch eine Plasmasäule – ein überhitztes, ionisiertes Gas – geschossen, um die intensiven Bedingungen zu simulieren, die in den von Blazaren ausgehenden Strahlen herrschen. Blazare sind eine Art aktiver galaktischer Kern, in dem supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien Materie verbrauchen und hochenergetische Plasmaströme ausstoßen.
„Diese Experimente zeigen, wie Laborastrophysik Theorien über das Hochenergieuniversum testen kann“, erklärte Bob Bingham, ein Teammitglied von der University of Strathclyde. „Durch die Reproduktion relativistischer Plasmabedingungen im Labor können wir Prozesse messen, die die Entwicklung kosmischer Jets prägen, und den Ursprung magnetischer Felder im intergalaktischen Raum besser verstehen.“
Was sind Blazare und warum verschwinden Gammastrahlen?
Blazare sind eine faszinierende Untergruppe der „aktiven galaktischen Kerne“ (AGN). Im Herzen dieser Galaxien liegt ein supermassereiches Schwarzes Loch – Millionen oder Milliarden Mal massereicher als unsere Sonne – das umgebende Gas und Staub unerbittlich ansaugt. Dieses Material bildet eine wirbelnde Scheibe, eine sogenannte Akkretionsscheibe, die aufgrund der Reibung hell leuchtet.
Wenn Materie auf das Schwarze Loch zufällt, leiten starke Magnetfelder einen Teil davon in Richtung der Pole des Schwarzen Lochs. Diese Materie wird auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und als Doppelplasmastrahlen ausgestoßen. Wenn einer dieser Jets zufällig direkt auf die Erde gerichtet ist, wird er zu einem Blazar. Diese Jets erzeugen intensive Gammastrahlung, die Teleskope auf der Erde erkennen können.
Es ist jedoch ein rätselhaftes Phänomen aufgetaucht: Wenn diese Gammastrahlen durch den intergalaktischen Raum wandern, erzeugen sie nicht immer die von der Standardphysik vorhergesagten Sekundärsignale. Wissenschaftler gingen davon aus, dass durch Wechselwirkungen mit Photonen im kosmischen Hintergrundlicht Elektronen- und Positronenpaare (Materie und Antimaterie) entstehen würden, die wiederum am kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), einem schwachen Nachleuchten des Urknalls, gestreut werden sollten. Diese Streuung sollte Gammastrahlen niedrigerer Energie erzeugen, die von Teleskopen wie der Raumsonde Fermi nachweisbar sind. Diese energieärmeren Gammastrahlen entziehen sich jedoch stets der Entdeckung.
Das Geheimnis der fehlenden Gammastrahlen: Erklärungen und neue Erkenntnisse
Mehrere Theorien versuchen, diese offensichtliche Diskrepanz zu erklären. Eine Vermutung ist, dass schwache intergalaktische Magnetfelder die Elektron-Positron-Paare ablenken und so die energieärmeren Gammastrahlen effektiv aus unserer Sichtlinie verdrängen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Instabilität dieser Materie-Antimaterie-Paare, wenn sie die spärliche Materie zwischen Galaxien durchqueren, was zu Schwankungen im Plasmastrahl führt und Magnetfelder erzeugt, die die Energie des Strahls zerstreuen. Schließlich könnte das Vorhandensein eines „Reliktmagnetfelds“, ein Überbleibsel aus dem frühen Universum, die Gammastrahlung stören.
Das jüngste CERN-Experiment sollte die ersten beiden dieser Theorien testen. Überraschenderweise beobachtete das Team nur minimale Störungen des Plasmastrahls, was der Erwartung einer signifikanten Magnetfelderzeugung widersprach. Dies deutet darauf hin, dass die Plasmainstabilitäten möglicherweise zu schwach sind, um die fehlenden Gammastrahlen zu erklären, was die Möglichkeit verstärkt, dass ein Reliktmagnetfeld ihr Verhalten beeinflusst.
Die Ergebnisse des Teams stellen vorherrschende Theorien in Frage und stärken das Argument für die Existenz eines Reliktmagnetfelds, das das intergalaktische Medium durchdringt.
Blick nach vorne
Die Ergebnisse werfen interessante Fragen auf, insbesondere hinsichtlich der Frage, wie ein solches Reliktmagnetfeld im bemerkenswert einheitlichen frühen Universum entstanden sein könnte. Um diese Frage zu beantworten, ist möglicherweise die Erforschung der Physik über das Standardmodell hinaus erforderlich, möglicherweise unter Einbeziehung fortschrittlicher Einrichtungen wie des Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).
„Es hat viel Spaß gemacht, Teil eines innovativen Experiments wie diesem zu sein, das der Pionierforschung am CERN eine neue Dimension verleiht“, schloss Subir Sarkar, Teammitglied und Forscher an der Universität Oxford. Die in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlichten Ergebnisse des Teams bieten eine neue Perspektive auf grundlegende kosmische Fragen und verdeutlichen das Potenzial von Laborexperimenten zur Erforschung der extremsten Umgebungen des Universums.
