Sterne aus Antimaterie könnten im Universum lauern

Antimaterie mag wie ein Science-Fiction-Stoff erscheinen – vor allem, weil in unserem Universum kaum etwas davon zu sehen ist, obwohl die besten Theorien der Physiker besagen, dass Antimaterie während des Urknalls im gleichen Verhältnis zur normalen Materie entstanden sein sollte. Aber Forscher produzieren in ihren Experimenten regelmäßig Antimaterie-Teilchen, und sie ahnen eine Erklärung für ihre kosmische Abwesenheit: Immer wenn Antimaterie und normale Materie aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig in einem Energieschub. Der geringste Überfluss an normaler Materie zu Beginn der Zeit hätte daher die Antimaterie effektiv von der Himmelskarte gewischt, abgesehen von ihrer gelegentlichen Produktion bei Einschlägen kosmischer Strahlung, von Menschenhand geschaffenen Teilchenbeschleunigern und vielleicht bestimmten theoretisierten Wechselwirkungen zwischen Teilchen der Dunklen Materie.

Aus diesem Grund waren die Physiker 2018 so verwundert, als der Leiter des Alpha Magnetic Spectrometer (AMS)-Experiments an der Außenseite der Internationalen Raumstation ankündigte, dass das Instrument möglicherweise zwei Antheliumkerne entdeckt haben könnte – zusätzlich zu sechs, die es waren möglicherweise früher erkannt. Wie auch immer Sie es schneiden, bekannte natürliche Prozesse würden Schwierigkeiten haben, genug Antihelium zu produzieren, damit eines davon in unseren weltraumgestützten Detektoren landet. Aber die einfachste dieser harten Methoden wäre, das Antihelium in Antisternen aufzukochen – die natürlich nicht zu existieren scheinen. Trotz der Tatsache, dass die völlig unerwarteten AMS-Ergebnisse noch bestätigt, geschweige denn offiziell veröffentlicht werden müssen, haben Wissenschaftler sie ernst genommen und einige haben sich bemüht, Erklärungen zu finden.

Inspiriert von den vorläufigen AMS-Ergebnissen hat eine Gruppe von Forschern kürzlich eine Studie veröffentlicht, die die maximale Anzahl von Antimateriesternen berechnet, die in unserem Universum lauern könnten, basierend auf einer Zählung von derzeit ungeklärten Gammastrahlenquellen, die vom Fermi Large Area Telescope (LAT ). Simon Dupourqué, Hauptautor der Studie und Absolvent der Astrophysik am Forschungsinstitut für Astrophysik und Planetologie der Universität Toulouse III-Paul Sabatier in Frankreich und am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS), machte die Schätzung nach der Suche nach Antistar-Kandidaten in den Daten der LAT eines Jahrzehnts.

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Antisterne würden ähnlich wie normale leuchten und Licht derselben Wellenlänge erzeugen. Aber sie würden in einem von Materie dominierten Universum existieren. Da Partikel und Gase aus normaler Materie in die Anziehungskraft eines solchen Sterns fielen und mit seiner Antimaterie in Kontakt kamen, würde die resultierende Vernichtung einen Blitz aus hochenergetischem Licht erzeugen. Wir können dieses Licht als eine bestimmte Farbe von Gammastrahlen sehen. Das Team nahm 10 Jahre an Daten, die sich auf etwa 6.000 lichtemittierende Objekte beliefen. Sie reduzierten die Liste auf Quellen, die mit der richtigen Gammafrequenz leuchteten und die nicht zuvor katalogisierten astronomischen Objekten zugeschrieben wurden. „So blieben uns 14 Kandidaten übrig, die meiner Meinung nach und auch meiner Co-Autoren sind nicht Antistars“, sagt Dupourqué. Wenn all diese Quellen solche Sterne wären, schätzte die Gruppe jedoch, dass etwa ein Antistern auf 400.000 gewöhnliche in unserem stellaren Hals des Waldes existieren würde.

Anstelle von vermeintlichen Antisternen, sagt Dupourqué, könnten diese Gammablitze stattdessen von Pulsaren oder den supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien stammen. Oder sie könnten einfach eine Art Detektorrauschen sein. Der nächste Schritt wäre, Teleskope auf die Standorte der 14 Kandidatenquellen auszurichten, um herauszufinden, ob sie einem Stern oder einem prosaischen gammaemittierenden Objekt ähneln.

Angesichts einiger interessanter, aber fragwürdiger Gammaquellen ist die Berechnung der denkbaren „oberen Grenze“ für die Anzahl der Antisterne ein langer Weg von der tatsächlichen Entdeckung solcher astrophysikalischer Objekte. Die meisten Forscher neigen also nicht zu dieser Schlussfolgerung. „Nach Theorie und Beobachtungen der extragalaktischen Gammastrahlung sollte es in unserer Galaxie keine Antisterne geben… Man würde nur obere Grenzwerte mit Null erwarten“, sagt Floyd Stecker, Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA nicht an der Forschung beteiligt. “Es ist jedoch immer gut, weitere Beobachtungsdaten zu haben, die dies bestätigen.”

Wenn Wissenschaftler, einschließlich der Autoren, der Existenz von Antistars skeptisch gegenüberstehen, warum ist es dann eine Diskussion wert? Das Geheimnis liegt in diesen lästigen möglichen Entdeckungen von Anthelium durch das AMS, die ungeklärt bleiben. Antiteilchen können aus zwei bekannten natürlichen Quellen erzeugt werden – kosmische Strahlung und dunkle Materie – aber die Wahrscheinlichkeit, dass eine von ihnen dafür verantwortlich ist, scheint verschwindend gering zu sein.

Wenn wir die Größe eines Atoms vergrößern, wird es immer schwieriger, es als Antiteilchen herzustellen, sagt Vivian Poulin, eine CNRS-Kosmologin mit Sitz in Montpelier, Frankreich. Dies „bedeutet, dass es immer seltener auftritt, aber von der Physik erlaubt ist“. Ein Antiproton ist relativ einfach zu formen, aber alles Schwerere, wie Antideuterium – ein Antiproton plus ein Antineutron – oder Anthelium – zwei Antiprotonen plus typischerweise ein oder zwei Antineutronen – wird mit zunehmender Masse immer schwieriger herzustellen. In einem 2019 veröffentlichten Papier nutzte Poulin die potenziellen Antihelium-Detektionen des AMS, um eine grobe Schätzung der Prävalenz von Antisternen zu berechnen. die Dupourqués neue Studie inspirierte.

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In einem Prozess namens Spallation kann hochenergetische kosmische Strahlung von explodierenden Sternen in interstellare Gasteilchen rammen, sagt Pierre Salati, ein Teilchenastrophysiker am Annecy-le-Vieux Particle Physics Laboratory, der an Poulins Studie von 2019 mitgearbeitet hat. Das Team, das für die Antiteilchen-Detektionen des AMS verantwortlich ist, behauptet, dass es möglicherweise sechs Anthelium-3-Kerne entdeckt hat, die unglaublich seltene Produkte der Spallation wären, und zwei Anthelium-4-Kerne, die aus kosmischer Strahlung statistisch fast unmöglich wären, sagt Salati. (Der Unterschied zwischen den beiden Isotopen besteht in der Zugabe eines Antineutrons.)

Was die Dunkle Materie angeht, sagen bestimmte Modelle voraus, dass sich Teilchen der Dunklen Materie gegenseitig vernichten können – ein Prozess, der auch Antiteilchen erzeugen könnte. Aber dieser Prozess ist möglicherweise immer noch nicht in der Lage, Antihelium-4 in ausreichenden Mengen herzustellen, um eine realistische Chance zu haben, es jemals zu sehen (wenn solche spekulativen Modelle die Realität überhaupt widerspiegeln). Deshalb liegt die Antistar-Hypothese immer noch auf dem Tisch. Verifizierte Antihelium-Detektionen wären ein guter Indikator für die Existenz von Antisternen, aber bisher ist das AMS das einzige Experiment, das solche Beweise liefert – die noch keiner begutachteten Veröffentlichung unterzogen werden müssen, bemerkt Salati.

„Es ist eine sehr anspruchsvolle Analyse, denn für jedes einzelne Antihelium-Ereignis gibt es 100 Millionen regelmäßige Helium-Ereignisse“, sagt Ilias Cholis, Astrophysiker an der Oakland University, der auch an Poulins Studie mitgearbeitet hat. Es ist möglich, sagen er und andere, dass sich die Entdeckungen als Zufall einer sehr komplizierten Analyse herausstellen.

Samuel Ting, Physik-Nobelpreisträger am Massachusetts Institute of Technology, leitet das AMS-Team und präsentierte 2018 erstmals die beiden neuesten möglichen Anti-Helium-Detektionen – die Anthelium-4-Kandidaten ,” er sagt. „Wir sammeln mehr Daten, bevor überhaupt [further] Ankündigung erfolgt.”

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Es ist möglich, dass ein anderes Experiment früher Antworten liefert. Das General AntiParticle Spectrometer (GAPS)-Experiment ist ein ballongestützter Detektor, der in diesem Jahr über der Antarktis nach Antiteilchen suchen wird. Mehr Antiteilchen – nach Cholis insbesondere Antideuteronen oder sogar Antihelium – mit dem GAPS-Detektor zu finden, würde die AMS-Ergebnisse deutlich überzeugender machen.

Sollten Antisterne die Schuldigen sein, würde diese Entdeckung eine umfassende Neuinterpretation der Evolution des Universums erfordern: Wir könnten Antisterne und andere hypothetische astrophysikalische Objekte, die aus Antimaterie bestehen, nicht länger an den Rand vernünftiger Spekulationen verbannen. Selbst wenn sie existieren, bilden sich derzeit wahrscheinlich keine Antisterne, sagt Salati, weil ihre mutmaßlichen Geburtswolken aus Antiwasserstoff große Chancen hätten, in den letzten 13 Milliarden Jahren oder so der Vernichtung zu entgehen. So, alle Antisterne, die gefunden werden könnten, wären höchstwahrscheinlich sehr alte Überreste des frühen Universums. Wenn ja, würde ein tiefes Geheimnis durch ein anderes ersetzt: Wie genau haben es solche alten Relikte geschafft, bis heute zu überleben? Wie so oft wirft eine neue Entdeckung weit mehr Fragen auf, als sie beantwortet.

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