Diamantstaub schimmert um ferne Sterne

Nanodiamanten sind die Quelle des geheimnisvollen kosmischen Mikrowellenlichts

Einige der kleinsten Diamanten im Universum – kristalline Kohlenstoffteilchen, die hunderttausende Male kleiner sind als ein Sandkorn – wurden in der Milchstraße beim Herumwirbeln um drei junge Sternsysteme entdeckt. Diese mikroskopischen Nanodiamanten sind weder selten noch wertvoll. Sie sind jedoch aufregend für Astronomen, die sie als Quelle eines mysteriösen kosmischen Mikrowellen „Glühens“ identifizierten, das von mehreren protoplanetaren Scheiben in unserer Galaxis ausgeht.

Seit Jahrzehnten haben Astronomen über die genaue Quelle einer seltsamen Art von schwachem Mikrowellenlicht gerätselt, das aus einer Reihe von Regionen der Milchstraße kommt. Dieses Licht, das als anomale Mikrowellenemission (AME) bekannt ist, stammt von der Energie, die durch schnell rotierende Nanopartikel freigesetzt wird, Materieteilchen die so klein sind, dass sie nicht mit einem gewöhnlichen Mikroskop entdeckt werden können.

„Obwohl wir wissen, dass eine Art von Teilchen für dieses Mikrowellenlicht verantwortlich ist, war seine genaue Quelle noch unbekannt, als es vor fast 20 Jahren entdeckt wurde“, sagte Jane Greaves, eine Astronomin an der Cardiff Universität in Wales und Hauptautorin eines Paper (Journal Nature Astronomy), indem dieses Ergebnis bekannt gegeben wurde.

Bis jetzt wurde angenommen, dass die wahrscheinlichste Ursache für diese Mikrowellenemission eine Klasse von organischen Molekülen ist, die als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) bekannt sind. Das sind Moleküle auf Kohlenstoffbasis, die im interstellaren Raum aufgrund ihrer schwachen aber charakteristischen Infrarot-Emission erkannt werden. Nanodiamanten, besonders hydrierte Nanodiamanten die mit wasserstoffhaltigen Molekülen auf ihren Oberflächen versehen sind, emittieren auch im infrarotem Bereich des Spektrums, jedoch auf einer anderen Wellenlänge.

Aufgrund einer Reihe von Beobachtungen mit dem Green Bank Telescope (GBT) der National Science Foundation in West Virginia und dem Australia Telescope Compact Array (ATCA) wurden zum ersten Mal drei eindeutige Quellen von AME-Licht in protoplanetaren Scheiben gesichtet, welche junge Sterne mit den Bezeichnungen V892 Tau, HD 97048 und MWC 297 umgeben. Das GBT beobachtete V892 Tau und die ATCA beobachtete die beiden anderen Systeme.

„Die ist die erste deutliche Entdeckung von anormalen Mikrowellenemissionen, die von protoplanetaren Scheiben ausgehen“ sagte David Frayer, Mitautor des Paper und Astronom am Green Bank Observatorium.

Die Astronomen stellten außerdem fest, dass das Infrarotlicht, das von diesen Systemen ausgeht, mit der einzigartigen Signatur von Nanodiamanten übereinstimmt. Andere protoplanetare Scheiben in der Milchstraße haben zwar die klare Signatur von PAKs, jedoch keine Anzeichen von AME-Licht.

Dies deutet darauf hin, dass PAKs nicht die mysteriöse Quelle anomaler Mikrowellenstrahlung sind, wie die Astronomen einst dachten. Vielmehr sind hydrierte Nanodiamanten, die natürlicherweise in protoplanetaren Scheiben vorkommen und auch in Meteoriten auf der Erde gefunden wurden, die wahrscheinlichste Quelle von AME-Licht in unserer Galaxie.

„Mit einer Detektiv-Methode a la Sherlock Holmes zur Beseitigung aller anderen Ursachen können wir zuversichtlich sagen, dass die besten Kandidaten, die dieses Mikrowellen-Glühen erzeugen können, vorhandene Nanodiamanten um diese neuentstandenen Sterne sind, sagte Greaves. Aufgrund ihrer Beobachtungen schätzen die Astronomen, dass etwa 1 bis 2 Prozent des gesamten Kohlenstoffs in diesen protoplanetaren Scheiben in die Bildung von Nanodiamanten geflossen ist.

Die Hinweise auf Nanodiamanten in protoplanetaren Scheiben sind in den letzten Jahrzehnten gewachsen. Dies ist jedoch die erste klare Verbindung zwischen Nanodiamanten und AME in einigen Umgebungen junger Sterne.

Statistische Modelle unterstützen auch stark die Annahme, dass Nanodiamanten in der Nähe von Baby-Sternen vorkommen und für die dort gefundenen anomalen Mikrowellenemissionen verantwortlich sind. „Es gibt eine Chance von 1 zu 10.000 oder weniger, dass diese Verbindung zufällig ist“, sagte Frayer.

Für ihre Forschung verwendeten die Astronomen das GBT und das ATCA, um bei 14 jungen Sternen die über die Milchstraße verteilt sind, nach Anomalien der Mikrowellenemission zu suchen. AME wurde deutlich in 3 von den 14 Sternen gesehen, die auch die einzigen 3 Sterne von 14 sind, welche die IR-Spektral-Signatur von hydrierten Nanodiamanten zeigen. „Tatsächlich sind sie selten, keine anderen jungen Sterne haben den bestätigten Infrarot-Abdruck“, bemerkte Greaves.

Diese Entdeckung hat interessante Auswirkungen auf das Studium der Kosmologie und der Suche nach Beweisen, dass unser Universum mit einer Inflationsperiode begann. Wenn unser Universum unmittelbar nach dem Urknall mit einer Geschwindigkeit wuchs, welche die Lichtgeschwindigkeit weit übertraf, sollte eine Spur dieser Inflationsperiode in einer besonderen Polarisierung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu sehen sein. Obwohl diese Signatur noch nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, gibt die Arbeit von Greaves und ihren Kollegen Anlass zu Hoffnung, dass dies möglich werden könnte.

„Dies ist eine gute Nachricht für diejenigen, die die Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds studieren, da das Signal der rotierenden Nanodiamanten bestenfalls schwach polarisiert sein würde“, sagte Brian Mason, Astronom am National Radia Astronomy Observatory und Co-Autor der Studie. „Dies bedeutet, dass Astronomen nun bessere Modelle des Vordergrund-Mikrowellenlichts aus unserer Galaxis machen können, das dann beseitigt werden muss, um das ferne Nachleuchten des Urknalls untersuchen zu können.“

Nanodiamanten bilden sich wahrscheinlich aus einem überhitzten Kohlenstoffdampf in hochenergetischen Sternentstehungsregionen. Dies ist nicht unähnlich den industriellen Methoden zur Herstellung von Nanodiamanten auf der Erde.

In der Astronomie sind Nanodiamanten sehr speziell, da ihre Struktur ein sogenanntes „Dipolmoment“ erzeugt – eine Anordnung von Atomen die es ihnen ermöglicht, elektromagnetische Strahlung zu emittieren wenn sie sich drehen. Da diese Teilchen so klein sind, kleiner als normale Staubpartikel in einer protoplanetaren Scheibe, sind sie in der Lage, außergewöhnlich schnell zu rotieren und Strahlung im Mikrowellenbereich statt im Meterwellenbereich zu emittieren, wo galaktische und intergalaktische Strahlung sie wahrscheinlich übertönen würden.

„Dies ist eine unerwartete Lösung für das Rätsel der anomalen Mikrowellenstrahlung“, meinte Greaves. „Und es ist außerdem interessant, weil wir dadurch einen Blick auf protoplanetare Scheiben erhalten, die Licht auf die chemischen Eigenschaften früher Sonnensysteme werfen; einschließlich unserem eigenen Sonnensystem.“

Zukünftige Zentimeterwellen-Instrumente, wie der geplante Band 1-Empfänger auf ALMA und das Very Large Array der nächsten Generation, werden dieses Phänomen viel genauer untersuchen können.

Das Green Bank Observatorium ist ein Forschungs- und Entwicklungsorganisation für Radioastronomie mit Sitz in Green Bank in West Virginia/USA. Das Hauptinstrument ist mit 100 x 110 Metern das größte voll bewegliche Radioteleskop der Welt.

12. Juni 2018/SP
Verein Kuffner-Sternwarte