Extragalaktische Extrem-Strahlung

Sternenhimmel über dem Pierre Auger Observatorium (Foto: Pierre Auger Observatory)

Unsere Erde wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Doch woher dieser Regen aus energiereichen, geladenen Teilchen kommt, ist erst in Teilen geklärt. Jetzt haben Astronomen erstmals herausgefunden, dass die energiereichste kosmische Strahlung höchstwahrscheinlich nicht aus unserer Milchstraße stammt. Stattdessen deutet die asymmetrische Verteilung der Flugbahnen dieser Teilchen auf einen extragalaktischen Ursprung hin. Was aber die Quelle dieser Extrem-Strahlung ist, bleibt weiterhin rätselhaft.

Ohne das schützende Magnetfeld der Erde hätte sich möglicherweise nie Leben auf unserem Planeten entwickeln können. Denn dieser Schutzschirm fängt einen großen Teil der energiereichen kosmischen Strahlung ab, die fortwährend aus dem Weltraum auf uns einströmt. Dieser Strom aus geladenen Teilchen – meist Protonen und schwerere, ihrer Elektronen beraubte Atomkerne – kommt zum Teil von der Sonne und anderen Sternen, geht aber auch vom Zentrum der Milchstraße und von Supernova-Explosionen aus. Unbekannt aber ist bisher, woher der energiereichste Teil dieser Partikel stammt. Sie rasen mit Energie von mehr als acht Exa-Elektronenvolt (EeV) durch den Weltraum – dies ist rund eine Million Mal mehr als die Teilchen im Large Hadron Collider (LHC), dem stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt. Treffen diese Teilchen auf unsere Atmosphäre, kollidieren sie mit den Gasteilchen der Luft und verursachen ganze Kaskaden von sekundären Teilchen.

Woher kommt die Extrem-Strahlung?

"Die Existenz von kosmischer Strahlung mit solchen ultrahohen Energien ist seit rund 50 Jahren bekannt, aber die Orte und Mechanismen ihrer Produktion sind noch immer ein Mysterium", erklären die Forscher der Pierre Auger Kollaboration. Das Problem: In einem Jahr trifft pro Quadratkilometer nur ein einziges dieser hochenergiereichen Teilchen auf die Erdatmosphäre. Doch selbst wenn es gelingt, diese Partikel oder ihre sekundären Teilchen einzufangen, ist die Bestimmung ihrer Herkunft schwierig. Denn das Magnetfeld unserer Milchstraße und die interstellaren Magnetfelder lenken die geladenen Teilchen ab und verfälschen damit ihre Flugbahn.

Astronomen am Pierre Auger Observatorium in Argentinien ist es nun jedoch gelungen, einen entscheidenden Hinweis auf die Herkunft dieser energiereichsten kosmischen Strahlung zu bekommen. Das speziell für die Detektion dieser Partikel gebaute Observatorium besteht aus 1600 jeweils zwölf Tonnen Wasser fassenden Tanks, die über eine Fläche von 3000 Quadratkilometer verteilt sind. Stößt ein Teilchen in diesen Tanks mit den Wassermolekülen zusammen, wird dabei Energie in Form eines winzigen Lichtblitzes frei, die sogenannte Tscherenkow-Strahlung. Vier Teleskope in der Anlage registrieren zusätzlich die Fluoreszenz, die die Strahlung bei ihrer Passage durch die Erdatmosphäre erzeugt. Dieses schwache Leuchten entsteht, weil die Partikel bei ihren Kollisionen Energie an die Luftteilchen übertragen. Diese setzen diese überschüssige Energie ebenfalls als Licht ab.

Asymmetrie am Himmel

In den letzten zwölf Jahren hat das Auger-Observatorium rund 30.000 Fälle von kosmischer Extremstrahlung eingefangen, wie die Astronomen berichten. Das ermöglichte es ihnen, die Verteilung und Richtung der energiereichen kosmischen Strahlung zu bestimmen – ungeachtet der Verfälschung durch die Magnetfelder. Dabei zeigte sich: Während die kosmische Strahlung niedrigerer Energien gleichmäßig aus allen Richtungen kommt, ist dies bei den hochenergetischen Partikeln nicht der Fall. Stattdessen zeigen sie eine leichte, aber signifikante Asymmetrie. Demnach kommen besonders viele Teilchen nicht aus dem galaktischen Zentrum, sondern aus einem Himmelsgebiet, das 90 Grad dagegen versetzt liegt. In dieser Himmelsregion herrscht eine besonders hohe Galaxiendichte, wie die Astronomen berichten.

Diese Merkmale sprechen dagegen, dass diese energiereichen Partikel aus unserer Milchstraße stammen, meinen die Forscher. Stattdessen muss ihre Quelle zumindest zum Teil außerhalb unserer Galaxie liegen – sie ist extragalaktischen Ursprungs. Doch was diese kosmische Extrem-Strahlung verursacht, ist noch immer unbekannt. Die Astronomen vermuten jedoch, dass beispielsweise die supermassereichen Schwarzen Löcher im Herzen ferner Galaxien diese kosmische Strahlung produzieren könnten. "Die Partikel, die wir registrieren sind so energiereich, dass sie von extrem gewaltsamen Ereignissen herrühren müssen", sagt Gregory Snow von der Pierre Auger Kollaboration. Er und seine Kollegen hoffen, dass eine zurzeit laufende Aufrüstung des Auger-Observatoriums sie bei der Lösung des Herkunftsrätsels weiterbringen wird. Denn das Upgrade soll durch zusätzliche Detektoren und eine verbesserte Auswertungstechnik die Präzision weiter verbessern.

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