Während die Produktion von Antimaterie im Labor mit erheblichem technischen Aufwand verbunden ist, werden einige Antiteilchen - insbesondere die leichteren — regelmäßig in großen Mengen in der Natur produziert. So führt zum Beispiel der sogenannte ß⁺-Zerfall radioaktiver Isotope zur Entstehung von Positronen. Positronen sind Antiteilchen der Elektronen und unterscheiden sich von letzteren lediglich durch ihre positive elektrische Ladung. Ein Beispiel für die Erzeugung von Positronen ist der nukleare Zerfall des Aluminium-Isotops Al²⁶ zu Magnesium Mg²⁶. Große Mengen von Positronen enstehen in den Reaktoren gewöhnlichen Kernkraftwerke. Eine natürliche Positronenquelle sind radioaktive Zerfälle, die durch extreme astrophysikalischen Bedingungen ausgelöst werden, wie sie zum Beispiel für Supernovae bzw. Nova-Explosionen typisch sind. Darüberhinaus können Positronen auch in der Umgebung schnell rotierender Neutronensterne oder Schwarzer Löcher, durch Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit Materie oder in Gammastrahlungsausbrüchen (gamma ray bursts) erzeugt werden. Der wohl faszierendste Aspekt besteht jedoch in einer möglichen Verbindung zwischen der Positron-Erzeugung und sogenannten "Dunkle Materie"-Teilchen. Nach dem gegenwärtigen kosmologischen Standardmodell tragen letztere wesentlich zur Gesamtmasse des Universums bei — in etwa sechs mal so viel wie die gewöhnliche sichtbare Materie aus der wir bestehen. Entsprechend einiger moderner Theorien wäre es möglich, dass sich "Dunkle Materie"-Teilchen in sehr seltenen Fällen gegenseitig vernichten. In derartigen Annihilationsprozessen könnten dann neben anderen Teilchen auch Photonen und Positronen entstehen.

Da also verschiedene mögliche Quellen zur Positronenerzeugung existieren, bleibt zu klären, welche Prozesse jeweils die wichtigsten Beiträge leisten. Wissenschaftler des MPA suchen deshalb mittels des INTEGRAL-Gammastrahlenobservatoriums nach charakteristischen Signaturen der Positronenproduktion im Zentrum unserer Galaxie. INTEGRAL ist ein Raumfahrtprojekt der Europäischen Raumfahrtagentur ESA unter Beteilung von Russland und den USA. Im Mittelpunkt stehen Bildaufnahmen und Ultrafeinspektrospkopie im Gammastrahlungsbereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Kollision eines Positrons mit einem Elektron kann zur Annihilation eines solchen Teilchen-Antiteilchen-Paares führen, wobei gleichzeitig ein Photonenblitz im Gammastrahlungsbereich entstände, der sich mit INTEGRAL detektieren ließe. Das im Rahmen der INTEGRAL-Studien verwendete Spektrometer SPI wurde gemeinsam von CESR (Toulouse) und MPE (Garching) entwickelt und ist für derartige Aufgaben besonders geeignet. In Zusammenarbeit mit russischen Forschungsgruppen wurde nun ein großer Teil der Beobachtungszeit dazu verwendet, den Zentralbereich der Milchstraße zu studieren, da dieser die stärkste Quelle für Annihilationstrahlung in unserer Galaxie darstellt. Allein im Verlauf des ersten Jahres hat INTEGRAL bereits mehr als 200000 Photonen aus Annihilationsprozessen detektiert. Diese Messungen haben die bisher genaueste Bestimmung des Annihilationsspektrums ermöglicht. Verschiedene Gruppen in Europa, Rußland und den USA beschäftigen sich gegenwärtig mit der weiteren Auswertung der bisherigen Meßdaten.

In den meisten Szenarien entstehen sogenannte "heiße" Positronen, deren kinetische Energie zumindest mit ihrer Ruhemasse vergleichbar ist. Da jedoch der Wechselwirkungsquerschnitt für die Annihiliation heißer Positronen sehr klein ist, erfolgt üblicherweise zuerst eine Abkühlung (Verringerung der kinetischen Energie) der Positronen durch Stöße mit gewöhnlichen Materieteilchen. Hat sich die kinetische Energie der Postronen auf einen Wert unterhalb von 100 eV reduziert, so beginnt die gegenseitige Anziehung zwischen Positronen und Elektronen zu dominieren, und es kommt zur Bildung sogenannter Positroniumatome. Ein Positroniumatom entspricht einem Wasserstoffatom, bei dem das Proton durch ein Positron ersetzt wurde. Da Positroniumatome aus Teilchen und Antiteilchen besteht, leben sie in der Regel nicht länger als 10^-7 Sekunden — danach kommt es zur gegenseitigen Vernichtung von Elektron und Positron unter Aussendung eines Gammastrahlungsblitzes. Positronium kann in zwei verschiedenen Formen auftreten, die als Para- und Orthopositronium bezeichnet werden. Etwa 75% aller Postroniumatome liegen in der Form von Orthopositronium vor. Die verbleibenden 25% entsprechen Parapositronium, welches bereits nach 10^-10 Sekunden zerfällt. Bei der Annihilation von Parapositronium entstehen zwei Photonen mit einer Energie von jeweils 511 keV (dies entspricht der Ruhemasse eines Elektrons bzw. Positrons). Letztere lassen sich im Teleskop in Form einer scharfen Gammastrahlungslinie beobachten. Im Gegensatz dazu zerfällt Orthopositronium in drei Photonen, und anstelle einer einzelnen Spektrallinie ergibt sich in diesem Fall ein breites Kontinuumspektrum. Wie in Abb. 1 gezeigt, sind dies genau die Signale, die INTEGRAL aus dem Zentralbereich der Milchstraße empfängt. Für die im ersten Betriebsjahr von INTEGRAL aufgenommenen Daten beträgt die relative Abweichung des Zentrum der Positron-Annihilationslinie von der Elektron- bzw. Positronruhemasse weniger als 1/10000. Ferner sind sowohl die Linienbreite als auch die gemessenen Flußraten von Annihilationslinie und Kontiuumspektrum mit der Annahme konsistent, dass die Annihilation der Positronen in einem warmen (T ≈ 8000K), schwach ionisierten Gas stattfindet, welches ein großes Volumen in der Milchstraßenscheibe einnimmt.

Die bisherigen Meßergebnisse von INTEGRAL zeigen also, dass in unserer Galaxie sekündlich eine große Anzahl von Positronen in warmer, teilweise ionisierter Materie annihiliert. Die Frage nach dem Ursprung dieser Positronen soll mittels zukünftiger INTEGRAL-Beobachtungen beantwortet werden. Ein großer Anteil der Positronen annihiliert in den innersten Bereichen der Milchstraße. Typ-I-Supernovae — die "Standardkandidaten" für Positronenproduktion — könnten eine primäre Quelle darstellen, allerdings müßten dann die nachgewiesenen galaktischen Positronen zuvor den sehr dichten Supernovaüberresten entkommen. Dunkle Materie als mögliche Produktionsstätte für Positronen bleibt daher eine attraktive Alternative. Ein entscheidender Test besteht darin, die exakte Morphologie der Annihilationslinienintensitäten mit der Verteilung potentieller Positronenquellen zu vergleichen, wobei sowohl kompakte Quellen, als auch Überreste von Supernovae sowie Dunkle Materie einzubeziehen sind. Mit INTEGRAL wird gegenwärtig eine genaue Kartierung der Annihilationsstrahlung erstellt, um dieses Problem möglichst endgültig zu lösen.

E. Churazov, R. Sunyaev, S. Sazonov, M. Revnivtsev

Weitere Informationen:

E. Churazov, R. Sunyaev, S. Sazonov, M. Revnivtsev, D. Varshalovich, Positron annihilation spectrum from the Galactic Centre region observed by SPI/INTEGRAL, 2005, MNRAS, 357, 1377

INTEGRAL WEB page: http://www.rssd.esa.int/Integral