Neuer Zugang zum extragalaktischen Hintergrundlicht

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02.11.2012
Im Licht von entfernten Gammastrahlen-Quellen hat ein Team von Forschern unter Beteiligung von Dr. Anita Reimer und Prof. Olaf Reimer erstmals Spuren der Extragalaktischen Hintergrundstrahlung nachgewiesen. Diese Entdeckung ist wichtig, um die Entstehung von Sternen und Galaxien besser zu verstehen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Science.
Foto: NASA's Goddard Space Flight Center/Cruz deWilde

Die Extragalaktische Hintergrundstrahlung im infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich besteht aus Photonen, die sich über die Geschichte des Universums hinweg angesammelt haben. „Diese Strahlung stellt einen sichtbaren Fingerabdruck der sich entwickelnden kosmischen Struktur dar und liefert entscheidende Informationen für ihr Verständnis“, sagt Dr. Anita Reimer vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Der ultraviolette Anteil der Hintergrundstrahlung ist besonders wichtig für die bisher nicht gänzlich verstandene kosmische Reionisierungsepoche, die kurz nach Ende des sogenannten 'Dunklen Zeitalters' anbrach.“
Die direkte Messung dieser Hintergrundstrahlung wird aber durch das Licht in unserem eigenen Sonnensystem und der Milchstraße erschwert. Das internationale Forscherteam hat darum eine indirekte Methode gewählt, um der Hintergrundstrahlung auf die Spur zu kommen. Gammastrahlung, die sich von weit entfernten Lichtquellen durch das Strahlungsfeld bewegt, kann nämlich von diesem teilweise absorbiert und damit geschwächt werden. Dies verursacht im Spektrum der auf der Erde gemessenen Gammastrahlung eine Verformung, deren Stärke von der Distanz zur Gammastrahlen-Quelle und der Dichte der Extragalaktische Hintergrundstrahlung abhängt. „Entfernte helle Gammastrahlen-Quellen wie beispielsweise Aktive Galaxienkerne oder helle Gammastrahlen-Ausbrüche sind deshalb geeignete Sonden für dieses diffuse Strahlungsfeld“, sagt Prof. Olaf Reimer vom Innsbrucker Institut für Astro- und Teilchenphysik. „Beobachtet man nur einzelne dieser Quellen, so muss man für die Methode aber das von den Quellen ausgesendete Gammaspektrum genau kennen. Diese sind derzeit aber immer noch umstritten“, hält Dr. Anita Reimer dagegen. Aus diesem Grund konnten bisher mit diesem Ansatz auch nur obere Grenzwerte für die Extragalaktische Hintergrundstrahlung bestimmt werden.
Das internationale Forscherteam nutzte für seine aktuelle Untersuchung die Daten aus den ersten knapp vier Beobachtungsjahren des 'Large Area Telescope (LAT)' an Bord des Gammastrahlen-Weltraumteleskops Fermi. Dieses nimmt permanent Daten von Tausenden entfernter Gammastrahlen-Quellen auf, zumeist sind dies Aktive Galaxienkerne. „Im Gammalicht dieser Objekte fanden wir eindeutige Abdrücke der Extragalaktischen Hintergrundstrahlung“, zeigt sich Anita Reimer begeistert.

Schwierige Analyse der Daten

Die Auswertung der Daten gestaltete sich freilich schwierig, denn das Gammalicht könnte schon vor Antritt des langen Weges durch das Universum in der Lichtquelle beeinflusst worden sein. „Hier halfen uns die Eigenschaften unserer Instrumente und Quellen, aber auch eine kluge Auswahl dieser Gammastrahlen-Quellen“, erzählt Anita Reimer. Zum einen konnten die Forscher zeigen, dass das mit dem LAT-Instrument gemessene Gammaspektrum weniger weit entfernter Aktiver Galaxienkerne nicht durch Absorption in der Hintergrundstrahlung verändert wird. Ferner ist der Bereich niedrigerer Gamma-Energien für alle Quellen frei von Absorption und gibt somit das eigentliche Spektrum der Quellen wieder. Dann mussten die Entfernungen zu vielen dieser Objekte noch vermessen werden – eine notorisch schwierige Aufgabe für diese Klasse von Objekten. Hier half GROND, ein Instrument, das eigentlich für die Entfernungsbestimmung von Gammastrahlen-Ausbrüchen gebaut wurde. „Die dafür entwickelte Entfernungsbestimmungsmethode konnte auf die hier benutzten Objekte angewendet werden, und so im Verlauf der vergangenen eineinhalb Jahre die Entfernungen von fast 100 der hier benutzten Aktiven Galaxienkerne gemessen werden“, erklärt Jochen Greiner, der Erbauer von GROND und Forscher am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching.

Hinweise auf die Geburt der ersten Sterne

„Wir untersuchten die kumulativen Spektren von etwa 150 Objekten in drei unterschiedlich weit entfernten Regionen des Kosmos und fanden eine spektrale Verformung bei hohen Energien wie man sie von Modellen erwartet, die eine minimale Dichte der Hintergrundstrahlung nahe des Limits der Galaxienanzahl vorhersagen. Jede größere Dichte würde eine Verformung in den kumulativen Spektren verursachen, welche inkonsistent mit der Messung wäre“, erklärt die Theoretikerin Anita Reimer.
Dieses Resultat bestätigte sich auch durch eine Analyse von Spektren einer Untergruppe der Gammastrahlen-Quellen, die dafür bekannt ist, nur schwache Strahlungsfelder innerhalb der Quelle zu besitzen und damit eine vernachlässigbare intrinsische Absorption. „So ist es auf statistischem Weg gelungen, die gemessenen Veränderungen in den Gamma-Spektren entfernter Aktiver Galaxienkerne eindeutig Absorptionseffekten der Gammastrahlung auf ihrem Weg durch die Hintergrundstrahlung zuzuweisen“, erklärt Experimentalphysiker Olaf Reimer. Die so gemessene kleinstmögliche Dichte der Extragalaktischen Hintergrundstrahlung liefert Hinweise zur Sternbildungsrate, insbesondere limitiert sie die maximale Bildungsrate der vermeintlichen ersten Sternpopulation im Kosmos auf nicht später als etwa 500 Millionen Jahre nach dem Big Bang. Das Auftreten dieser ersten Sterne im Universum markiert das Ende des sogenannten 'Dunklen Zeitalters', als das intergalaktische Gas durch das UV-Licht der ersten Sterne ionisiert wurde.

Ein internationales Team von Forschern, wiederum unter Mitarbeit der Innsbrucker Astroteilchenphysiker, hat erst vergangene Woche in der Fachzeitschrift Science darüber berichtet, wie sie mit dem Weltraumteleskop Fermi erstmals anhand von Gammastrahlenmessungen einen Millisekunden-Pulsar entdeckt haben. Der sehr schnell rotierende Neutronenstern hat die kürzeste je beobachtete Umlaufbahn um seinen Begleitstern.
Am Bau der Detektoren auf Fermi und am Betrieb des Observatoriums sind neben der NASA und dem US-Energieministerium Forschungseinrichtungen in den Vereinigten Staaten, in Frankreich, Italien, Schweden, Deutschland und Japan beteiligt.

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(cf)