FERMI
Kosmischer Nebel aus dem Licht alter Sterne
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Innsbruck
astronews.com
2. November 2012

Das Licht längst erloschener Sterne breitet sich noch immer im Universum aus und sorgt so für die extragalaktische Hintergrundstrahlung. Auf Gammastrahlen wirkt dieses Licht wie eine Art kosmischer Nebel. Jetzt ist es erstmals gelungen, Spuren dieses Nebels in Beobachtungen des Weltraumteleskops Fermi nachzuweisen. Die Forscher hoffen dadurch, die Entstehung von Sternen und Galaxien besser zu verstehen.

Eine Karte des Gammastrahlen-Himmels basierend auf Fermi-Daten. Die grünen Punkte zeigen die Positionen der aktiven Galaxienkerne, die für die Studie verwendet wurden. Bei der großen orangefarbenen Struktur handelt es sich um die Scheibe der Milchstraße. Bild: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration  [Vergrößerte Gesamtansicht]

Die extragalaktische Hintergrundstrahlung im infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich besteht aus Photonen, die sich über die Geschichte des Universums hinweg angesammelt haben. Dabei handelt es sich oft um Photonen von Sternen, die schon längst erloschen sind. "Diese Strahlung stellt einen sichtbaren Fingerabdruck der sich entwickelnden kosmischen Struktur dar und liefert entscheidende Informationen für ihr Verständnis", erläutert 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. Ein internationales Forscherteam hat darum mit einer indirekten Methode versucht, der Hintergrundstrahlung auf die Spur zu kommen. Gammastrahlung, die sich von weit entfernten Lichtquellen durch dieses Strahlungsfeld bewegt, kann nämlich von diesem teilweise absorbiert und damit geschwächt werden. Das Licht der alten Sterne wirkt also auf die Gammastrahlung wie eine Art "kosmischer Nebel". Dieser 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", beschreibt 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", ergänzt Anita Reimer. Aus diesem Grund konnten bisher mit diesem Ansatz auch nur obere Grenzwerte für die extragalaktische Hintergrundstrahlung bestimmt werden.

Für die jetzt online in einem Fachartikel in der Wissenschaftszeitschrift Science vorgestellte Untersuchung nutzte das internationale Forscherteam 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 handelt es sich dabei um aktive Galaxienkerne. "Im Gammalicht dieser Objekte fanden wir eindeutige Abdrücke der extragalaktischen Hintergrundstrahlung", berichtet Anita Reimer.

Die Auswertung der Daten gestaltete sich allerdings 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", berichtet 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.

Schließlich mussten noch die Entfernungen zu vielen dieser Objekte vermessen werden - eine für diese Klasse von Objekten äußerst schwierige Aufgabe. Hier half den Wissenschaftlern aber 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", erläutert Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, der Erbauer von GROND.

"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 Sternentstehungsrate, insbesondere limitiert sie die maximale Bildungsrate der vermuteten ersten Sternpopulation im Kosmos, die nicht später als etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden ist. 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.