JAXA-Team bildet Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum erstmals direkt mit Elektronenspur-Kamera ab

Ballonflug weist Signal mit 7,9 Sigma nach

Ein Teleskop, das 2018 über Australien getragen wurde, hat erstmals eine direkte Aufnahme von Gammastrahlung aus dem Zentrum der Milchstraße erstellt. Dabei registrierte es im Energiebereich von 150 bis 600 keV ein Signal, das 7,9 Standardabweichungen über der Hintergrundstrahlung lag. Das Ergebnis belegt eine neue Bildgebungsmethode für einen Energiebereich, der sich präzisen astronomischen Beobachtungen lange entzogen hat.

Die JAXA, die Kitasato-Universität, das japanische Nationale Institut für fortgeschrittene industrielle Wissenschaft und Technologie sowie die Universität Kyoto gaben die Ergebnisse am 6. Oktober 2026 bekannt. In ihrer gemeinsamen Forschungsmitteilung bezeichnen sie die Arbeit als ersten Einsatz linearer Bildgebung auf Grundlage geometrisch-optischer Prinzipien, mit der ein präzises Spektrum der Positronen-Annihilationsstrahlung aus dem galaktischen Zentrum in diesen Energiebereichen gewonnen wurde.

Dieser Unterschied ist wichtig. Es handelt sich weder um den ersten Nachweis von Gammastrahlung noch um die erste Beobachtung von Materie-Antimaterie-Annihilation in dieser Region. Gezeigt wird vielmehr ein neues Verfahren, mit dem sich eintreffende Gammastrahlen Bildpositionen zuordnen lassen. Dadurch hängen Helligkeits- und Energiemessungen weniger stark von Annahmen über die Verteilung der Himmelsquellen ab.

Die Forschung ergab außerdem für die mit Positronium verbundene Strahlung einen Schätzwert, der ungefähr doppelt so hoch ist wie die frühere INTEGRAL-Messung. Die Unsicherheit ist jedoch erheblich, und die Studie bewertet beide Messungen als statistisch miteinander vereinbar. Das Ergebnis belegt weder, dass das galaktische Zentrum heller geworden ist, noch, dass Dunkle Materie nachgewiesen wurde.

Zum Team gehören Professor Toru Tanimori von der Kitasato-Universität, emeritierter Professor der Universität Kyoto, der Forscher Tomonori Ikeda vom Nationalen Institut für fortgeschrittene industrielle Wissenschaft und Technologie, der außerordentliche Professor Atsushi Takada von der Universität Kyoto sowie der Assistenzprofessor Yoshitaka Mizumura vom Institut für Weltraum- und Astronautikwissenschaft der JAXA. Ihr nächstes geplantes Experiment, SMILE-3, wird als möglicher Kandidat für eine JAXA-Ballonmission in Australien im Jahr 2028 vorbereitet.

Was die Kamera verändert

Das Instrument ist eine Compton-Kamera mit Elektronenspur-Aufzeichnung, kurz ETCC. Statt Gammastrahlen mit einer herkömmlichen optischen Linse aufzufangen, rekonstruiert sie ihre Einfallsrichtungen anhand der Wechselwirkungen in ihren Detektoren.

Bei der Compton-Streuung überträgt ein Gammaquant einen Teil seiner Energie auf ein Elektron und bewegt sich anschließend in eine andere Richtung weiter. Eine herkömmliche Compton-Kamera misst das gestreute Photon, erfasst die Richtung des Rückstoßelektrons jedoch nicht vollständig genug. Ein einzelnes Ereignis verweist deshalb nicht auf eine bestimmte Stelle am Himmel, sondern auf einen Ring möglicher Positionen.

Die ETCC zeichnet zusätzlich zur Energie und Position des gestreuten Photons auch die Spur des Elektrons auf. Zusammengenommen ermöglichen diese Messungen, die Einfallsrichtung zu rekonstruieren und dem Bild eine bestimmte Position zuzuordnen, wobei die Winkelauflösung des Instruments zu berücksichtigen ist.

So wird lineare Bildgebung möglich. Vereinfacht gesagt sollte der gemessene Beitrag einer Quelle gleich bleiben, unabhängig davon, ob sie allein oder zusammen mit anderen Quellen beobachtet wird. Die Bilder können dadurch quantitative Helligkeitsmessungen ermöglichen, statt sich vor allem auf eine komplexe Rekonstruktion überlappender Ringe zu stützen.

Der Vergleich mit der optischen Astronomie bezieht sich auf dieses Bildgebungsprinzip, nicht auf die Hardware oder die Schärfe der Aufnahme. Die ETCC bündelt Gammastrahlen nicht mit einer Glaslinse, und ihr Bild des galaktischen Zentrums bleibt unscharf. Der Fortschritt liegt in einem direkteren und messbaren Zusammenhang zwischen registrierten Ereignissen und Positionen am Himmel.

Fünf Stunden Blick aufs galaktische Zentrum

Der Ballon SMILE-2+ startete am 7. April 2018 um 06:24 Uhr australischer Zentralstandardzeit in Alice Springs im Zentrum Australiens. Der Flug dauerte etwa einen Tag, doch das galaktische Zentrum war nur deutlich kürzer zu beobachten.

Dem Forschungsmanuskript zufolge befand sich das galaktische Zentrum ab etwa 01:00 Uhr am 8. April im ausgewählten Sichtfeld und blieb ungefähr fünf Stunden lang sichtbar. Für die Bildgebung wurden Daten aus der stabilen Flughöhe verwendet, in der der Ballon in rund 39,6 Kilometern Höhe schwebte.

Das Sichtfeld des Teleskops betrug 3,1 Steradiant. Ein Steradiant misst einen Raumwinkel und keine ebene Fläche. Bei einem Gesamthimmel von etwa 12,6 Steradiant konnte das Instrument jeweils rund ein Viertel des Himmels erfassen. Um Störungen durch die Atmosphäre zu begrenzen, schränkte die Analyse die beobachteten Blickrichtungen jedoch ein.

Die zeitliche Abfolge trennt den ursprünglichen Flug von der späteren wissenschaftlichen Auswertung:

• 7. April 2018: SMILE-2+ startet in Alice Springs.
• 8. April 2018: Das galaktische Zentrum ist etwa fünf Stunden lang zu beobachten.
• 2022: Das Team veröffentlicht im Astrophysical Journal einen ersten Bericht über den Nachweis aus dem galaktischen Zentrum.
• 11. August 2026: Die neue Studie zu Bildgebung und Spektroskopie erscheint in Physical Review D.
• 6. Oktober 2026: Die vier japanischen Institutionen geben die Ergebnisse gemeinsam bekannt.
• 2028: Die JAXA plant eine Ballonmission in Australien, für die SMILE-3 als Kandidat infrage kommt.

Ein starker Nachweis ist noch keine detaillierte Karte

Die am 11. August 2026 als Band 114, Artikel 043026, veröffentlichte Studie in Physical Review D berichtet in der Aufnahme des galaktischen Zentrums einen Überschuss von 7,9 Sigma. Sigma gibt an, wie groß ein Signal im Verhältnis zu den statistischen Schwankungen ist, die aufgrund des geschätzten Hintergrunds zu erwarten sind.

Das ist unter den verwendeten Analysebedingungen ein starker Beleg für Strahlung in der Aufnahme. Für sich genommen identifiziert das Ergebnis jedoch weder die Objekte, die die Strahlung erzeugen, noch zeigt es, ob sie von einer kleinen Quelle stammt oder über ein größeres Gebiet verteilt ist.

Die Autoren prüften drei Beschreibungen der Strahlung: eine einzelne Quelle im galaktischen Zentrum, eine Struktur mit mehreren Komponenten und eine glatte, symmetrische Verteilung in Form einer zweidimensionalen Gaußkurve. Die Struktur mit mehreren Komponenten umfasste einen schmalen Bulge, einen breiten Bulge, eine schwache Scheibe und eine zentrale Quelle.

Ikeda und seine Mitautoren, die Forschenden hinter der Studie, halten in der Zusammenfassung fest, dass sich anhand der Beobachtungen nicht eindeutig zwischen diesen Beschreibungen unterscheiden lässt:

Alle drei erwiesen sich als statistisch mit den Daten vereinbar.

Die Anpassung mit einer Gaußkurve ergab eine Breite von 26 ± 12 Grad, entsprechend einer Halbwertsbreite von 61 ± 28 Grad. Der statistische Test zeigte jedoch nicht, dass eine ausgedehnte Quelle erforderlich war. Das Team wies die Region somit zuverlässig nach, konnte ihre physikalische Struktur aber nicht abschließend auflösen.

Warum der doppelte Strahlungsfluss kein Widerspruch ist

Der mit Positronium verbundene Schätzwert betrug (3,2 ± 1,4) × 10 hoch minus 2 Photonen pro Quadratzentimeter und Sekunde. Positronium ist ein kurzlebiges gebundenes System aus einem Elektron und seinem Antimaterie-Gegenstück, einem Positron. Bei seiner Annihilation entsteht Gammastrahlung, darunter ein Kontinuum, das zum beobachteten Energiebereich beiträgt.

Die Studie vergleicht diesen Schätzwert mit einem INTEGRAL-Wert von (1,4 ± 0,3) × 10 hoch minus 2 Photonen pro Quadratzentimeter und Sekunde. Teilt man die zentralen Werte, 3,2 durch 1,4, ergibt sich ungefähr 2,3. Das stützt die Beschreibung in der Mitteilung, wonach der neue Wert etwa doppelt so hoch liegt.

Die zentralen Werte weichen voneinander ab, doch die Unsicherheit muss in den Vergleich einbezogen werden. Die Autoren bezeichnen die Messungen innerhalb einer Sigma als miteinander vereinbar. Das neue Ergebnis ist daher als höherer Schätzwert zu verstehen, der genauer gemessen werden muss, und nicht als bestätigter Widerspruch zu INTEGRAL.

Der Positronium-Wert wurde auch nicht ermittelt, indem ausschließlich Photonen gezählt wurden, die eindeutig Positronium zugeordnet werden konnten. Beim Modell mit mehreren Komponenten betrug der gesamte gemessene Fluss im Bereich von 150 bis 600 keV (5,8 ± 1,2) × 10 hoch minus 2 Photonen pro Quadratzentimeter und Sekunde.

Anschließend schätzten die Forschenden den Anteil der inversen Compton-Streuung auf (2,6 ± 0,7) × 10 hoch minus 2 in denselben Einheiten und zogen ihn ab. Inverse-Compton-Strahlung entsteht, wenn energiereiche Elektronen Photonen Energie übertragen. Die Unsicherheit dieses modellierten Beitrags fließt in den endgültigen Positronium-Schätzwert ein.

Auch direkte Bildgebung erfordert Hintergrundkorrekturen

Die Richtungsbestimmung der Kamera verringert die Mehrdeutigkeit, macht aber nicht jedes Modell und jede Korrektur überflüssig. Im Manuskript steht ausdrücklich, dass die begrenzte Zahl von Ereignissen eine vollständig unabhängige Rekonstruktion der diffusen Strahlungsverteilung verhinderte.

Im beobachteten Energiebereich bildete Gammastrahlung aus der Atmosphäre den größten Teil des Hintergrunds. Auch kosmische Strahlung und zufällige Koinzidenzen zwischen voneinander unabhängigen Detektorsignalen trugen dazu bei. Selbst in Ballonhöhe kann Weltraumstrahlung absorbiert oder gestreut werden, bevor sie das Teleskop erreicht.

Die Forschenden simulierten diese atmosphärischen Effekte und kalibrierten die Normierung des Hintergrunds anhand eines Zeitraums, in dem das galaktische Zentrum außerhalb des Sichtfelds lag. Außerdem schätzten sie anhand von Katalogen von Swift und INTEGRAL die Beiträge bekannter heller Quellen ab.

Im Energiebereich von 450 bis 600 keV wurden im Analysebereich des galaktischen Zentrums etwa 92 % der erfassten Ereignisse dem Hintergrund zugerechnet. Die Studie nennt für diesen Bereich ein Signal-Rausch-Verhältnis von 8,8 %. Dieser Prozentsatz beschreibt die Zusammensetzung der ausgewählten Ereignisse, nicht die Signifikanz des Bildnachweises von 7,9 Sigma.

Auch aus einem anderen Grund ist beim Vergleich mit anderen Observatorien Vorsicht geboten: Sie messen nicht alle denselben Himmelsausschnitt und ziehen Quellen nicht auf dieselbe Weise ab. Die ETCC-Analyse erfasste eine zentrale Region, die sich in galaktischer Länge und Breite jeweils etwa 33 Grad beiderseits des galaktischen Zentrums erstreckte.

Die in der Studie herangezogenen Analysen von COSI und INTEGRAL verwendeten andere Regionen. Die Autoren passten deren Intensitätswerte an die unterschiedlichen Raumwinkel an. Zugleich weisen sie darauf hin, dass Vergleiche diffuser Strahlung nur Näherungen sind, weil sie auch von der angenommenen Strahlungsverteilung abhängen.

Wie scharf war die neue Aufnahme?

Die ETCC nutzte einen Gasdetektor mit einem aktiven Volumen von 30 × 30 × 30 Zentimetern, um Elektronenspuren aufzuzeichnen. Er war von 108 Szintillator-Arrays umgeben, die gestreute Gammastrahlen erfassen. Außerdem setzten die Forschenden ein neuronales Faltungsnetzwerk ein, um die Rekonstruktion der Richtungen von Rückstoßelektronen zu verbessern.

Bei 511 keV, der charakteristischen Energie der Elektron-Positron-Annihilationslinie, betrug der Halbenergieradius des Instruments 20 Grad. Das bedeutet, dass die Hälfte der rekonstruierten Ereignisse einer punktförmigen Quelle innerhalb eines Winkelradius von 20 Grad liegt.

Die Energieauflösung bei 511 keV betrug 14 %, angegeben als Halbwertsbreite der Instrumentenantwort. Sie misst, wie stark sich Ereignisse einer einzelnen Photonenenergie im aufgezeichneten Spektrum verteilen.

Diese technischen Daten erklären, warum direkte Bildgebung und die präzise Identifizierung von Quellen zwei verschiedene Leistungen sind. Die Kamera kann Richtungen anhand einer definierten Bildantwort zuordnen, doch ihre geringe Winkelauflösung reicht nicht aus, um einzelne, dicht gedrängte Objekte im Gebiet des galaktischen Zentrums zuverlässig voneinander zu trennen.

Das Instrument demonstriert daher eine Methode, statt bereits eine vollständige Lösung für die Struktur der Region zu liefern. Ein stärkeres Signal, längere Beobachtungszeiten und eine bessere Instrumentenleistung könnten dabei helfen, festzustellen, welche räumliche Beschreibung am besten zum Himmel passt.

Die Quelle der Antimaterie bleibt unbekannt

Das galaktische Zentrum ist eine markante Quelle der 511-keV-Annihilationslinie, doch der Ursprung seiner Positronen ist weiterhin unklar. Das Forschungsmanuskript hält fest, dass die beobachtete Verteilung zu keiner bekannten astrophysikalischen Population eindeutig passt und nur schwach mit der Strahlung anderer Wellenlängen korreliert.

Zu den im Beitrag diskutierten herkömmlichen Quellen gehören radioaktive Kerne, die von massereichen Sternen und Supernovae erzeugt werden. Auch Neutronensterne und Schwarze Löcher kommen infrage, da Wechselwirkungen energiereicher Photonen in der Umgebung kompakter Objekte Elektronen und Positronen erzeugen können.

Weitere Hypothesen sind die Annihilation oder der Zerfall Dunkler Materie sowie primordialer Schwarzer Löcher mit geringer Masse. Primordiale Schwarze Löcher wären im frühen Universum entstanden und nicht durch den Kollaps von Sternen. Als möglicher Mechanismus zur Positronenproduktion wird in der Studie Hawking-Strahlung diskutiert.

Keine dieser Erklärungen wird durch die neue Aufnahme bestätigt. Die ungeklärte räumliche Verteilung, die Unsicherheit beim Strahlungsfluss und die modellgestützte Subtraktion anderer Strahlungsbeiträge schränken die Schlussfolgerungen zum Ursprung ein.

Der Fortschritt ist vor allem beobachtungstechnischer Art: Ein Instrument, das mithilfe einer linearen Antwort Richtung und Energie von Gammastrahlen messen kann, schafft eine weitere Möglichkeit, konkurrierende Erklärungen zu prüfen. Es macht aus einem ungeklärten Signal keinen Beleg für exotische Physik.

SMILE-3 soll die nächste Messung ermöglichen

Takada leitet die Vorbereitungen für SMILE-3, das eine empfindlichere ETCC verwenden soll. In der Mitteilung der JAXA wird das Experiment als möglicher Kandidat für die nächste, für 2028 geplante australische Ballonmission bezeichnet. Eine endgültige Auswahl oder ein bestätigter Starttermin wurde nicht bekannt gegeben.

Simulationen in den Forschungsunterlagen legen nahe, dass Verbesserungen das Signal-Rausch-Verhältnis im Bereich von 450 bis 600 keV von 8,8 % auf etwa 32 % steigern könnten. Das wäre, ausgehend von diesen beiden Zahlen, ungefähr das 3,6-Fache des heutigen Werts. Es handelt sich jedoch um eine Projektion und nicht um ein im Flug nachgewiesenes Ergebnis.

Die Institutionen nennen außerdem längere Ballonbeobachtungen und mögliche Satellitenbeobachtungen als Wege, die Methode weiterzuentwickeln. Als Ziele jenseits des galaktischen Zentrums kommen Supernovaüberreste, aktive galaktische Kerne und Gammastrahlenausbrüche infrage.

Diese Ziele verknüpfen die Bildgebungsmethode mit konkreten wissenschaftlichen Messungen: Radioaktive Strahlung kann Kernreaktionen und die Entstehung von Elementen nachzeichnen, während andere Gammastrahlensignale Aufschluss über die Beschleunigung energiereicher Teilchen geben können. Die unmittelbare Aufgabe ist jedoch enger gefasst: Das Instrument soll verbessert und es sollen genügend Daten gesammelt werden, um Helligkeit und Form des galaktischen Zentrums eindeutiger zu messen.

Wichtige Punkte

• SMILE-2+ wies im Bereich von 150 bis 600 keV Strahlung aus dem galaktischen Zentrum nach; in der Aufnahme zeigte sich ein Überschuss von 7,9 Sigma.
• Das Ergebnis demonstriert lineare Bildgebung mit einer Compton-Kamera mit Elektronenspur-Aufzeichnung, nicht die erstmalige Entdeckung von Gammastrahlung aus dieser Region.
• Der geschätzte Positronium-bezogene Strahlungsfluss lag etwa beim 2,3-Fachen des zentralen INTEGRAL-Werts. Laut Studie sind die Messungen jedoch statistisch miteinander vereinbar.
• Drei unterschiedliche räumliche Modelle passen zu den Daten. Die genaue Struktur der Strahlung bleibt daher ungeklärt.
• Die Beobachtungen belegen nicht, dass Dunkle Materie oder primordiale Schwarze Löcher die Positronen erzeugen.
• SMILE-3 wird als möglicher Kandidat für die von der JAXA geplante Ballonmission in Australien im Jahr 2028 vorbereitet.