Kosmische Edelsteine: Astronomen haben die Quelle eines rätselhaften Mikrowellenleuchtens in unserer Milchstraße entdeckt. Demnach geht diese Strahlung von winzigen Diamanten in den Staubscheiben einiger junger Sterne aus – die Nanodiamanten setzen sie bei schneller Rotation frei, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Astronomy“ berichten. Damit ist nicht nur ein fast 20 Jahre altes Rätsel gelöst, die neue Erkenntnis könnte auch kosmologische Messungen erleichtern.
Seit fast 20 Jahren rätseln Astronomen über die Quelle einer schwachen Mikrowellenstrahlung in der Milchstraße. Diese sogenannte anomale Mikrowellenemission (AME) tritt im Frequenzbereich von 10 bis 60 Gigahertz au, ließ sich bisher aber nicht einem eindeutigen Ursprung zuordnen. „Wir wissen zwar, dass irgendwelche Teilchen für dieses Mikrowellenlicht verantwortlich sein müssen“, erklärt Erstautorin Jane Greaves von der Cardiff University in Wales. Aber was für Teilchen, blieb unklar.
Woher stammt die Strahlung?
Einige Astronomen vermuteten bisher, dass dieses seltsame Leuchten von schnell rotierenden Körnchen aus polyzyklischen Kohlenwasserstoffen ausgehen könnte, wie sie beispielsweise in den Staubscheiben um viele junge Sterne präsent sind. Denn Simulationen zeigen, dass solche ringförmigen Nanopartikel, wenn sie schnell rotieren, eine elektromagnetische Strahlung aussenden können.
Doch stimmt diese Hypothese auch? Um das zu überprüfen, haben Greaves und ihre Kollegen nun Beobachtungsdaten von 14 Staubscheiben um helle junge Sterne in der Milchstraße ausgewertet. Neun dieser Systeme wurden mit den Radioantennen des Australian Compact Telescope Array (ATCA) untersucht, fünf weitere mit dem Green Bank Telescope (GBT) im US-Bundessstaat West Virginia.
Auf Basis der Spektraldaten ermittelten die Astronomen, welche Partikel in den Staubscheiben dieser Sterne vorhanden sind und auch, ob von diesen Systemen das rätselhafte Mikrowellenleuchten ausgeht.
Fündig bei drei von 14
Das Ergebnis: Tatsächlich enthielt ein Großteil der 14 stellaren Staubscheiben ringförmige Kohlenwasserstoffe. Doch nur drei von ihnen emittierten auch Mikrowellen. Deren Peaks lagen im Frequenzbereich von 20 bis 50 Gigahertz und stimmten damit fast perfekt mit dem rätselhaften Mikrowellenleuchten überein.
„Das ist der erste eindeutige Nachweis der anomalen Mikrowellenemission von einer protoplanetaren Scheibe“, sagt Co-Autor David Frayer vom Green Bank Observatorium. Damit haben die Astronomen schon einmal den Ort identifiziert, von dem das Mikrowellenleuchten ausgeht. Doch warum war diese Strahlung nur bei diesen drei jungen Sternen und ihren Staubscheiben nachweisbar?
Nanodiamanten im Sternenstaub
Eine Antwort darauf entdeckten die Astronomen im Infrarotspektrum der drei protoplanetaren Scheiben. Denn dieses zeigte die Signatur ganz besonderer Kohlenstoffverbindungen: hydrogenierter Nanodiamanten. Diese kristallinen Körnchen aus Kohlenstoff sind bereits in Meteoriten nachgewiesen worden und gelten auch als Komponenten der Urwolke unseres eigenen Sonnensystems.
Wie die Forscher mithilfe von Modellrechnungen ermittelten, machen die Nanodiamanten rund ein bis zwei Prozent des Kohlenstoffs in den drei protoplanetaren Scheiben aus. Sie bildeten sich wahrscheinlich bei der Sternbildung aus besonders hoch erhitzten Kohlenstoffgasen. Die einzelnen Körnchen sind dabei nur wenige Nanometer groß – und können deshalb besonders schnell rotieren und die Mikrowellenstrahlung abgeben.
„AME in the Sky with Diamonds“
Nach Ansicht der Astronomen spricht alles dafür, dass diese Nanodiamanten die rätselhafte Mikrowellenstrahlung in unserer Milchstraße erzeugen. „Die Chance, dass dies bloßer Zufall ist, liegt bei weniger als 1 zu zehntausend“, sagt Frayer. Greaves ergänzt: „Da wir alle anderen möglichen Ursachen ausgeschlossen haben, können wir relativ sicher sagen, dass die besten Kandidaten für die Urheber des Mikrowellenleuchtens die Nanodiamanten rund um diese jungen Sterne sein müssen.“
Damit könnte das Rätsel der anomalen Mikrowellen-Emission nun endlich gelöst sein. „Das ist ein aufregendes Ergebnis“, sagt Koautorin Anna Scaife von der Manchester University. „‚AME in the Sky with Diamonds‘ erscheint mir ein passender Weg, unsere Ergebnisse zusammenzufassen“, komentiert sie in augenzwinkernder Referenz auf einen berühmten Song der Beatles.
Wichtig für die Kosmologie
Spannend und wichtig ist dieser Fund auch für die Kosmologie. Denn solange nicht klar war, woher das störende Vordergrundleuchten kommt, war es schwer, dieses aus Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung herauszurechnen. Das wiederum erschwerte es unter anderem, die Polarisierungsmuster dieser Strahlung zu erfassen – und so möglicherweise Belege für die kosmische Inflation und andere Prozesse im frühen Kosmos zu finden.
„Dies sind gute Nachrichtgen für diejenigen, die die Polarisation des kosmischen Mikrowellen-Hintergrunds erforschen“, sagt Co-Autor Brian Mason vom US National Radio Astronomy Observatory. „Denn sie können nun bessere Modelle der Vordergrundstrahlung erstellen, um sie aus den Werten herauszurechnen.“ (Nature Astronomy, 2018; doi: 10.1038/s41550-018-0495-z)
(Green Bank Observatory/ Cardiff University, 12.06.2018 – NPO)
