Gewitter erzeugen Antiteilchen

Mit dem Gammastrahlungsmonitor des Satelliten Fermi konnten Antiteilchen nachgewiesen werden, die ihre Ursache in Energieentladungen bei Gewittern auf der Erde haben.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA, MPE. Vertont von Peter Rittinger.

NASA/Goddard Space Flight Center
Detektor-Doppelimpuls durch terrestrische Positronen im Gammstrahlungsmonitor des Weltraumteleskops Fermi
(Bild: NASA/Goddard Space Flight Center)

An der Oberseite starker Gewitterregionen ist die elektrische Feldstärke offenbar so groß, dass Elektronen auf Energien beschleunigt werden, die bei deren Abbremsung Gammastrahlung hervorrufen. Durch eine Vielzahl derartiger Ereignisse entstehen regelrechte Gammastrahlungsblitze (Terrestrial Gamma-ray Flash, TGF). Danach können zwei Gammaquanten durch sogenannte Paarbildung aus Energie Elektronen und Positronen erzeugen, ein Beispiel für Einsteins berühmteste Gleichung E = mc².

Elektronen kommen in der Atmosphäre ohnehin vor. Die Positronen dagegen sind Antiteilchen der Elektronen. Treffen sie mit einem Elektron zusammen, so verwandeln sich beide unter bestimmten Bedingungen wieder in Gammaquanten. Dies ist eine besonders energiereiche Form elektromagnetischer Strahlung.

Durch die Messungen mit Fermis Gammastrahlungsmonitor GRM konnten im Weltall, auch tausende Kilometer von der verursachenden Gewitterzone entfernt, Positronen nachgewiesen werden. Sie kollidierten mit dem Satelliten, trafen dabei auf Elektronen und verwandelten beide in Gammastrahlung. Am 14. Dezember 2009 bereits wurde Fermi über Ägypten im Abstand von 23 Millisekunden (0,023 s) zweimal von einem Positronenstrahl getroffen. Dieser stammte von einem Gewitter über Sambia.

“Diese Signale sind die ersten direkten Hinweise darauf, dass Gewitter Antimaterieteilchenstrahlen hervorrufen”, sagte Michael Biggs, ein Mitglied des GRM-Teams der Universität Alabama in Huntsville (USA).

Angenommen wird, dass alle terrestrischen Gammastrahlungsblitze Positronen erzeugen. Man schätzt die Zahl der TGF weltweit auf etwa 500 pro Tag. Fermi hat seit Ende 2008 etwa 130 nachweisen können. “Es ist allerdings immer noch unklar, wie TGFs erzeugt werden und auch, wie klassische Gewitterblitze entstehen”, sagt Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, an dem der Gammastrahlungsmonitor GRM entwickelt wurde. Obwohl Turbulenzen in Gewitterwolken durch Ladungstrennung sehr große Spannungen erzeugen, sind die dabei übertragenen Energien etwa um den Faktor 10 zu klein für die Bildung von Positronen-Elektronen-Paare. Hier ist also noch weitere Forschung vonnöten.

NASA
Fermi im All – Impression
(Bild: NASA)

Das weltraumgestützte Gammastrahlenobservatorium Fermi ist ein Gemeinschaftsprojekt verschiedener Institutionen in den USA, in Deutschland, Frankreich, Italien, Japan und Schweden. Von deutscher Seite ist das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching beteiligt. Fermi gelangte am 11. Juni 2008 als GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) ins Weltall und sucht nach einer kurzen Kalibrierungsphase nach Gammastrahlungsemmissionen. Derartige Strahlung wird im All vor allem von Pulsaren, Schwarzen Löchern und binären Systemen großer Masse abgegeben.

Die wissenschaftliche Ausrüstung besteht zum einen aus dem Large Area Telescope, das ca. 16% der Himmelskugel mit einem “Blick” erfassen kann. Das Aufnahmespektrum umfasst Gammastrahlung im Energiebereich von 30 MeV bis 300 GeV. Strahlungsquellen können mit einer Genauigkeit von einem Sechzigstel Grad festgestellt werden. Zum zweiten befindet sich der Gamma Burst Monitor (GBM) an Bord, der speziell für die Identifizierung von Gammastrahlenausbrüchen konstruiert wurde. Sechzig Tage nach dem erfolgreichen Start bekam der Satellit zu Ehren des Physikers Enrico Fermi seinen offiziellen Namen.

Die wissenschaftlichen Ziele der Mission liegen auf den Gebieten Dunkle Materie, Schwarze Löcher, neue Dimensionen, spezielle Relativitätstheorie, Neutronensterne, Gamma Ray Bursts und neuartigen Wechselwirkungen zwischen energiereichen Photonen.

Raumcon:

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