Richtungs-Asymmetrie liefert Hinweise zum noch immer rätselhaften Ursprung Kosmische Strahlung ist (auch) extragalaktisch - scinexx | Das Wissensmagazin
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Richtungs-Asymmetrie liefert Hinweise zum noch immer rätselhaften Ursprung

Kosmische Strahlung ist (auch) extragalaktisch

Woher kommt der energiereichste Teil der kosmischen Strahlung? Das Pierre Auger Observatorium hat dazu erste Hinweise gefunden. © Pierre Auger Observatory

Nicht aus dieser Galaxie: Seit rund 50 Jahren rätseln Astronomen, woher der extrem energiereiche Teil der kosmischen Strahlung stammt. Jetzt gibt es einen ersten Hinweis. Messungen des Pierre Auger Observatoriums in Argentinien belegen, dass diese Extrem-Strahlung asymmetrisch verteilt ist. Sie scheint vornehmlich aus einer bestimmten Richtung des Alls zu kommen – und diese deutet auf einen extragalaktischen Ursprung hin, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Unsere Erde wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Doch woher dieser Regen aus energiereichen, geladenen Teilchen kommt, ist bisher erst in Teilen geklärt. So scheinen Partikel mit geringeren Energien von der Sonne, benachbarten Sternen und auch vom Zentrum der Milchstraße auszugehen. Auch bei Supernovae wird solche Strahlung frei.

Rätselhaft aber bleibt bisher, wo die Quelle des energiereichsten Anteils der kosmischen Strahlung liegt. Diese Partikel 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. Denn diese fliegen mit „nur“ rund acht Tera-Elektronenvolt durch den Ring.

Mysteriöser Ursprung

„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. Einer der Gründe dafür: Diese Extremstrahlung ist selten. Pro Jahr trifft nur ein einziges Teilchen pro Quadratkilometer auf die Erdatmosphäre. Dort kollidiert es mit Gasteilchen und erzeugt einen sich nach unten hin ausbreitenden Schauer von Sekundärteilchen.

Doch es gibt ein weiteres Problem: Sowohl das Magnetfeld unserer Milchstraße als auch interstellare Felder lenken die geladenen Teilchen aus ihrer ursprünglichen Flugbahn. Daher können die Astronomen ihren Ursprung nicht direkt bestimmen. Ermitteln sie aber die Richtungsverteilung von möglichst vielen solcher hochenergetischen Partikel, dann kann dies zumindest verraten, ob die Quellen gleichmäßig im All verteilt sind oder ob die energiereichste komische Strahlung vermehrt aus einer Richtung kommt.

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In den mit jeweils zwölf Tonnen Wasser gefüllten Tanks des Observatoriums erzeugt die kosmische Strahlung winzige Lichtblitze. © The Pierre Auger Observatory

Wassertanks und Teleskope

Genau dies ist den Forscher nun mit dem Pierre Auger Observatorium in Argentinien gelungen. Die Anlage besteht aus 1.600 Wassertanks, die über eine Fläche von 3.000 Quadratkilometer verteilt sind. Wenn Sekundärteilchen der kosmischen Strahlung mit den Wassermolekülen kollidieren, erzeugt dies Lichtblitze, die sogenannte Tscherenkow-Strahlung. Aus der Art dieser Blitze lässt sich die Flugbahn und Energie der kosmischen Strahlung rekonstruieren.

Vier Teleskope 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 als Licht ab. Durch diese Kombination von Detektoren hat das Auger-Observatorium in den letzten zwölf Jahren rund 30.000 Fälle von kosmischer Extremstrahlung eingefangen – und dadurch den Astronomen erstmals einen Einblick geliefert, woher die energiereichste kosmische Strahlung kommt.

Nicht aus unserer Galaxie

Das überraschende Ergebnis: Während die kosmische Strahlung niedrigerer Energien gleichmäßig aus allen Richtungen kommt, ist dies bei den hochenergetischen Partikeln nicht der Fall. Die Astronomen registrierten in den Richtungsdaten der Extremstrahlung eine leichte, aber signifikante Asymmetrie. Demnach kommen besonders viele Teilchen aus einem Himmelsgebiet, das 90 Grad vom galaktischen Zentrum entfernt liegt und viele Galaxien enthält. Bereits 2014 hatte ein Detektor in den USA eine ähnliche Asymmetrie entdeckt, diese beruhte jedoch auf viel weniger Ereignissen.

Vom Auger-Observaotrium detektierte Spur eines Teilchenschauers der kosmischen Strahlung © The Pierre Auger Observatory

Nach Ansicht der Astronomen sprechen die Ergebnisse dafür, dass diese Strahlung nicht aus unserer Milchstraße kommt. „Magnitude und Richtung dieser Anisotropie stützen die Hypothese, dass die energiereichste kosmische Strahlung extragalaktischen Ursprungs ist“, konstatieren die Forscher. Damit ist es ihnen damit gelungen, die Herkunft dieser rätselhaften Extremstrahlung zumindest einzugrenzen.

Quellen noch immer rätselhaft

Allerdings: Was diese hochenergetischen Teilchenströme erzeugt, ist noch immer offen. „Die Partikel, die wir registrieren sind so energiereich, dass sie von extrem gewaltsamen Ereignissen herrühren müssen“, sagt Gregory Snow von der Pierre Auger Kollaboration. Die Astronomen vermuten daher, dass beispielsweise die supermassereichen Schwarzen Löcher im Herzen ferner Galaxien diese kosmische Strahlung produzieren könnten.

„Es gibt Hinweise darauf, dass die sehr aktiven Schwarzen Löcher einiger Galaxien Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigen können“, erklärt Snow. 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. (Science, 2017; doi: 10.1126/science.aan4338)

(Science, Michigan Technological University, University of Nebraska-Lincoln, 22.09.2017 – NPO)

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