E = mc2 - Antimaterie aus dem Zentrum der Milchstraße

Einsteins Formel
Die berühmteste Gleichung der Welt, E = mc², wurde 1905 von Albert Einstein entdeckt. Sie besagt: Masse m ist äquivalent zu Energie E. Da das Quadrat der Vakuumlichtgeschwindigkeit c² eine unglaublich große Zahl ist, steckt schon in kleinen Massen wie Elementarteilchen eine sehr große Energiemenge. Diese Ruheenergie wird technologisch in Kernkraftwerken und hoffentlich bald auch in Fusionskraftwerken ausgenutzt.
 
Antimaterie entsteht, Antimaterie zerstrahlt
In der Natur ist es an der Tagesordnung, dass sich aus hochenergetischer, elektromagnetischer Strahlung Teilchenpaare bilden. Diese Paare bestehen aus einem Teilchen und seinem zugehörigen Antiteilchen. Umgekehrt verhält es sich so, dass Antimaterie im Kosmos sofort mit der dazu passenden "normalen" Materie vernichtet wird, falls sich die beiden komplementären Materieformen zu nahe kommen. Dabei wird aufgrund des Energie- und Impulserhaltungssatzes die Ruheenergie der Teilchen in zwei Lichtquanten umgewandelt. Beide Phänomene fassen die Physiker unter den Begriffen Paarbildung und Paarvernichtung (Annihilation) zusammen. Ein Beispiel: Ein (negativ geladenes) Elektron hat eine Ruhemasse von 511 keV. Es trifft beim kosmischen Spaziergang auf ein (positiv geladenes) Positron, dem Antiteilchen des Elektrons, das ebenfalls eine Ruheenergie von 511 keV hat. Diese Begegnung wird zur Vernichtungsschlacht, in der die Teilchen sich gegenseitig auslöschen, dafür aber zwei Lichtquanten mit je 511 keV Energie entstehen. Diese Strahlung ist sehr energiereich, mehr noch als die sehr durchdringenden Röntgenstrahlung, und sie liegt im Bereich der Gammastrahlung. Gammastrahlung ist auch auf der Erde bekannt, aber hier entsteht sie u.a. als Form der natürlichen Radioaktivität im Gammazerfall.

Die astronomische Beobachtung
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching bei München führten Beobachtungen mit dem europäischen Gammateleskop Integral durch. Dieses Teleskop umkreist die Erde oberhalb der Atmosphäre, damit die Gammastrahlung gemessen werden kann. Denn die Erdatmosphäre ist (zum Glück für ihre Bewohner) ein natürliches Schutzschild für hochenergetische Röntgen- und Gammastrahlung. Die Astronomen beobachteten mit Integral die Gammastrahlung bei 511 keV am ganzen Himmel. Dabei stellten sie um das Zentrum der Milchstraße besonders intensive Vernichtungsstrahlung dieser Energie im Gammabereich fest.

Woher kommt die Strahlung aus dem Zentrum unserer Heimatgalaxie?
Die erstaunliche Entdeckung der Max-Planck-Forscher ist, dass bestimmte Doppelsternsysteme (low-mass X-rax binaries, kurz LMXBs, siehe Link unten) in diesem Himmelsareal, nämlich um den Mittelpunkt der Milchstraße herum, besonders häufig vorkommen. Die räumliche Verteilung von der 511-keV-Strahlung und den Doppelsternsystemen ist nahezu identisch!
Bei den Doppelsternen handelt es sich um Röntgendoppelsterne. Bei diesen Sternpaaren tritt Materie von einem normalen Stern zu seinem Begleitstern über. Das Aufregende ist, dass im Prinzip dieser Begleitstern den anderen "auffrisst", weil er entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist. Beim Auffressen des Nachbarsterns bildet sich eine charakteristische Materiescheibe aus, in der das Material auf den Neutronenstern oder das Schwarze Loch in einer Rotationsbewegung einfällt. In diesen so genannten Akkretionsscheiben wird das Gas sehr heiß. Dabei wird hochenergetische Strahlung frei, die über Paarbildung Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, produziert. Elektronen und Positronen fliegen nun aus dem Doppelsternsystem heraus.

Und dann? Antimaterie wie die Positronen sind im Kosmos in der Unterzahl. Sie sehen sich einer Mehrheit "normaler" Teilchen gegenüber. Als Konsequenz treffen die Positronen auf die vielen Elektronen, die sich im interstellaren Medium um das Doppelsternsystem befinden. Jetzt geschieht wieder der umgekehrte Vorgang: Elektronen und Positronen vernichten sich und bilden um den Doppelstern herum einen Schimmer von Vernichtungsstrahlung der Energie 511 keV - Gammastrahlung. Die Emissionen der vielen Röntgendoppelsternsysteme im Zentrum der Milchstraße überlappen und erzeugen so den hellen Fleck der Vernichtungsstrahlung auf der Himmelskarte, den die Forscher mit Integral entdeckten. Das ist die nun favorisierte Interpretation.

Alternative Szenarios
Die Physiker diskutieren auch andere kosmische Positronenquellen neben den Röntgendoppelsternen. So entstehen Positronen bei der natürlichen Radioaktivität im Kosmos (Betazerfall). Besonders viele Positronen werden auf diese Weise in Sternexplosionen erzeugt.

Auch bei der Vernichtung bestimmter Formen von Dunkler Materie kann es zur Erzeugung von Positronen kommen. Die neuen Integral-Beobachtungen sprechen nun dafür, dass akkretierende, kompakte Objekte die Positronenquellen sind, die sich durch die charakteristische Vernichtungsstrahlung verraten. Heute erschien die entsprechende Veröffentlichung der Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in der renommierten Fachzeitschrift Nature.

Fazit
Einsteins Kosmos ist allgegenwärtig: Die Ruhemassen können gemäß der speziell relativistischen Formel E = mc² in Strahlung verwandelt werden und umgekehrt. Kompakte Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher sind nur durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie von 1916 mathematisch zu beschreiben. Und auch die Antimaterie hat einen Bezug zu Einstein: Die Dirac-Theorie, die die Positronen adäquat beschreibt, resultiert aus der speziell relativistischen Quantenmechanik. Sie begründet auch die Teilcheneigenschaft Spin. Astronomische Beobachtungen bestätigen hundert Jahre nach Einsteins revolutionären Entdeckungen abermals, dass das Weltall relativistisch ist.

Quellen:
[1] Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft
[2] Nature 451, 159-162 (10 January 2008), Weidenspointner et al.
[3] Astronomiewissen, Lexikoneintrag LMXB

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