Wie Physiker die Energie von Blazaren im Labor nachgebaut haben

Das Experiment wurde am Super-Protonen-Synchrotron-Beschleuniger des CERN durchgeführt und die Ergebnisse werden in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht, berichtet die Universität Oxford.

Das Hauptziel der Studie - ein langjähriges astronomisches Rätsel zu lösen: warum ein Teil der Gammastrahlen, die von Galaxien Blazaren ausgehen, im Weltraum "verloren" geht und die Detektoren auf der Erde nicht erreicht.

Blazare sind supermassereiche Schwarze Löcher, die schmale Ströme von Teilchen und Strahlung mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aussenden. Diese Jets erzeugen starke Gammastrahlen, die in Teraelektronenvolt gemessen werden. Berechnungen zufolge sollte die Kollision dieser Strahlen mit gestreutem Sternenlicht jedoch Kaskaden von Elektron-Positron-Paaren erzeugen, die in Wechselwirkung mit reliktischer Mikrowellenstrahlung schwächere Gammastrahlen erzeugen. Es sind diese sekundären Strahlen, die von Teleskopen wie Fermi nicht entdeckt werden.

Es gab zwei Hypothesen. Die erste besagt, dass die Teilchen durch schwache intergalaktische Magnetfelder abgelenkt werden, so dass die Strahlung aus unserem Blickfeld "entweicht". Die zweite ist, dass die Ströme selbst instabil werden und Energie verlieren, während sie sich durch das intergalaktische Plasma bewegen.

Um die zweite Theorie zu testen, haben Physiker aus Oxford und dem Centre for Laser Research STFC in der Anlage HiRadMat (High-Radiation to Materials) am CERN ein analoges Modell dieses Prozesses entwickelt. Mit Hilfe eines Beschleunigers konnten sie einen Strom von Elektronen und Positronen erzeugen, der durch eine meterlange, mit Plasma gefüllte Kammer floss. Auf diese Weise konnte ein Phänomen, das in gigantischen astronomischen Maßstäben auftritt, in Miniaturform reproduziert werden.

Den Beobachtungen zufolge blieb der Teilchenstrahl stabil und erzeugte fast keine eigenen Magnetfelder. Das bedeutet, dass Plasmainstabilitäten zu schwach sind, um das Verschwinden der Gammastrahlen zu erklären. Eine wahrscheinlichere Erklärung bleibt daher die Existenz eines schwachen intergalaktischen Magnetfeldes, das ein Relikt des frühen Universums sein könnte.

"Unser Experiment zeigt, wie die Laborastrophysik Theorie und Beobachtung kombinieren kann, um Prozesse zu verstehen, die über kolossale Entfernungen hinweg ablaufen", erklärt der Projektleiter Professor Gianluca Gregori aus Oxford. - "Dies ist ein Beispiel dafür, wie die Zusammenarbeit zwischen führenden Forschungszentren den Weg für die Erforschung extremer physikalischer Zustände ebnet."

Projektkollege Professor Bob Bingham von der University of Strathclyde fügte hinzu: "Indem wir Analogien zu relativistischen Plasmen im Labor erzeugen, können wir die Mechanismen der Bildung kosmischer Magnetfelder und die Dynamik von Jets, die von Schwarzen Löchern ausgehen, direkt untersuchen."

Die Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Ergebnisse nicht nur der Enträtselung der Natur intergalaktischer Felder näher gekommen sind, sondern auch neue Fragen aufgeworfen haben. Zum Beispiel, wie genau in dem jungen, homogenen Universum diese magnetischen Strukturen entstehen konnten. Vielleicht liegt die Antwort in der Physik jenseits des Standardmodells.