H.E.S.S. sieht kosmischen „Dunst“ – extragalaktisches kosmisches Hintergrundlicht vermessen

Dazu analysierten sie die mit dem H.E.S.S.-Teleskopsystem in Namibia aufgenommenen Daten einiger der hellsten Gammastrahlenquellen außerhalb der Milchstraße. Aus den Ergebnissen lassen sich Schlüsse ziehen über die Entwicklung von Sternen und Galaxien. Und es lässt sich daraus ableiten, wie weit man im Gammalicht ins Universum blicken kann. (Astronomy & Astrophysics, 15.01.2013 online)

Der Raum zwischen den Galaxien ist angefüllt mit Photonen (Lichtteilchen), die von allen jemals im Universum existierenden Sternen emittiert wurden. Das diffuse extragalaktische Hintergrundlicht scheint im Sichtbaren und im Infrarot. Es ist nach dem kosmischen Mikrowellenhintergrund die diffuse Strahlung mit der zweithöchsten Intensität. Aus unserer Milchstraße heraus ist es aber nur schlecht möglich, dieses fossile Licht direkt zu beobachten. Durch Verwendung von Gammastrahlen (die rund eine Billion mal energiereicher sind als sichtbares Licht), also mit einer indirekten Methode, umgehen die Astrophysiker dieses Problem.

Ein von einer entfernten Galaxie emittierter Gammastrahl wird auf seinem Weg zur Erde durch Wechselwirkung mit diffusem Licht abgeschwächt: wenn ein hochenergetisches Gammaphoton mit einem Photon des Hintergrundlichts zusammenstößt, werden beide in ein Elektron/Positron-Paar umgewandelt (ein Positron ist das Antiteilchen des Elektrons), wodurch sich die Intensität des Gammastrahls verringert. Je dichter der Dunst aus diffusen Photonen ist, desto stärker ist die Abschwächung des Gammastrahls und desto weniger weit kann man im Gammalicht ins Universum blicken. Die an der Erde ankommenden hochenergetischen Gammaphotonen lösen in der Erdatmosphäre Teilchenschauer aus, die kurze Lichtblitze erzeugen. Diese werden von den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) beobachtet.

Die Astrophysiker analysierten die Spektren einiger relativ naher Blazare; das sind hell im Gammalicht leuchtende Galaxien, in deren Zentrum ein aktives Schwarzes Loch Materie verschlingt, wobei ein „Jet“ aus relativistischen Teilchen in Richtung Erde geschleudert wird. Dabei zeigte sich klar die Absorption hochenergetischer Gammastrahlen durch das extragalaktische Hintergrundlicht – deren Berücksichtigung ist zur Erklärung der Spektren sogar unerlässlich. Die Messungen liefern die bisher genauesten Werte für die Intensität des im Universum enthaltenen Sternenlichts im sichtbaren und infraroten Bereich und seine spektrale Verteilung.

Ein besseres Verständnis dieses diffusen Lichts – ein Archiv des leuchtenden Universums – führt zu neuen Erkenntnissen über die ersten Sterne, ihre Entstehung und die Entwicklung von Galaxien. Mit den neuen Daten können nun kosmologische Modelle optimiert werden, um die Rate und die Prozesse der Sternbildung seit der Entstehung des Universums besser zu beschreiben. Und aus den Ergebnissen lässt sich bestimmen, wie die Größe des im Gammalicht beobachtbaren Universums mit zunehmender Energie der Gammaphotonen abnimmt.

Komplementäre Messungen an weiter entfernten Blazaren wurden von der Fermi-LAT-Kollaboration mit dem Large Area Telescope (LAT) auf dem Fermi-Satelliten gemacht, das Gammastrahlen mit niedrigerer Energie detektiert [1].

Originalveröffentlichung:
Measurement of the extragalactic background light imprint on the spectra of the brightest blazars observed with H.E.S.S., H.E.S.S. Collaboration, Astronomy & Astrophysics 550, A4 (2013) http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201220355

[1] The Imprint of the Extragalactic Background Light in the Gamma-Ray Spectra of Blazars, Fermi-LAT Collaboration, Science 338, 1190-1192 (2012) DOI: 10.1126/science.1227160 http://www.sciencemag.org/content/338/6111/1190

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