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Astronomie+Physik

Strahlender Diamantenstaub im All

Nanodiamanten
Nanodiamanten in einer planetaren Staubscheibe (Grafik: S. Dagnello, NRAO/AUI/NSF)

Seit fast 20 Jahren rätseln Astronomen über die Quelle einer schwachen Mikrowellenstrahlung in der Milchstraße. Bisher vermutete man, dass dieses seltsame Leuchten vielleicht von schnell rotierenden Körnchen aus ringförmigen Kohlenwasserstoffen ausgeht, wie sie beispielweise in den Staubscheiben um junge Sterne präsent sind. Doch nun haben neue Beobachtungen dies widerlegt: Statt „gewöhnlicher“ Kohlenwasserstoffe sind offenbar Nanodiamanten der Ursprung dieser rätselhaften Strahlung. Bei drei jungen Sternen konnten Astronomen diesen Diamantenstaub und seine Emission nun nachweisen.

Entdeckt haben Astronomen die rätselhafte Strahlung bei Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Neben dieser bis in den Mikrowellenbereich gedehnten Reststrahlung aus der Frühzeit des Universums registrierten ihre Teleskope immer auch eine schwache Mikrowellen-Störstrahlung im Vordergrund. Diese sogenannte anomale Mikrowellenemission (AME) tritt im Frequenzbereich von 10 bis 60 Gigahertz auf und scheint ihren Merkmalen nach von schnell rotierenden Nanopartikeln herzurühren. „Wir wissen, dass eine Art Teilchen für dieses Mikrowellenlicht verantwortlich sein muss“, erklärt Erstautorin Jane Greaves von der Cardiff University in Wales. „Doch die Quelle dieses Leuchtens ist seit dessen erster Entdeckung vor fast 20 Jahren rätselhaft geblieben.“

Suche bei protoplanetaren Staubscheiben

Als vielversprechendster Kandidat für die Quelle dieses Leuchtens galten bisher organische Partikel in den Staubscheiben junger Sterne. Solche polyzyklischen Kohlenwasserstoffe, so glaubte man, könnten bei Anregung durch die intensive Strahlung des jungen Sterns diese Mikrowellenemissionen abgeben. Um das zu überprüfen, haben Greaves und ihre Kollegen nun Beobachtungsdaten von 14 Staubscheiben um junge Sterne 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.

Es zeigte sich: Ein Großteil der 14 stellaren Staubscheiben enthielt ringförmige Kohlenwasserstoffe. Doch nur drei von ihnen emittierten auch das Mikrowellenleuchten. „Das ist der erste eindeutige Nachweis der anomalen Mikrowellenemission von einer protoplanetaren Scheibe“, sagt Co-Autor David Frayer vom Green Bank Observatorium. Wie die Analysen ergaben, hatten die drei Staubscheiben eine weitere Besonderheit: Das Spektrum der von ihnen zusätzlich abgegebenen Infrarotstrahlung deutete darauf hin, dass im Staub ganz besondere Kohlenstoffverbindungen vorhanden waren: hydrogenierte Nanodiamanten. Diese kristallinen Körnchen aus Kohlenstoff sind bereits in vielen Meteoriten nachgewiesen worden und gelten auch als Komponenten der Urwolke unseres eigenen Sonnensystems. Bekannt ist außerdem, dass diese Nanodiamanten bei schneller Rotation elektromagnetische Strahlung abgeben können.

Diamanten statt Kohlenwasserstoffe

Nach Ansicht der Astronomen kann das Zusammentreffen von Mikrowellenstrahlung und Nanodiamanten kein Zufall sein: „Die Chance, dass dies bloßer Zufall ist, liegt bei weniger als 1 zu zehntausend“, sagt Frayer. Er und seine Kollegen gehen daher davon aus, dass solche Staubscheiben mit Nanodiamanten die Quelle des rätselhaften Mikrowellenleuchtens in unserer Milchstraße sein müssen. „Da wir ähnlich wie Sherlock Homes 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 Sternen sein müssen“, sagt Greaves. Ihren Schätzungen nach machen diese winzigen Diamantkörnchen rund ein bis zwei Prozent des Kohlenstoffs in diesen protoplanetaren Scheiben aus.

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Der Nachweis von Nanodiamanten als Quelle der rätselhaften Mikrowellenstrahlung hat auch große Bedeutung für kosmologische Beobachtungen. 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.“

Jane Greaves (Cardiff University, UK) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-018-0495-z

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