Wie enthüllt „Laso“ die übermächtige Seite der Milchstraße?

Anmerkung des Herausgebers: Generalsekretär Xi Jinping wies darauf hin, dass die Popularisierung der Wissenschaft eine wichtige Grundarbeit für die Erzielung innovativer Entwicklungen sei. Um ein hohes Maß an wissenschaftlicher und technologischer Eigenständigkeit zu erreichen, haben die Abteilung für Wissenschaftspopularisierung der Chinesischen Gesellschaft für Wissenschaft und Technologie und Guangming Online gemeinsam eine Artikelserie mit dem Titel „Im Jahr 2035 verankert: Akademiker sprechen darüber, dem Land mit Wissenschaft zu dienen“ veröffentlicht. Darin werden Akademiker aus verschiedenen Bereichen aufgefordert, kompetente Antworten auf die aktuellen wissenschaftlichen und technologischen Fragen meines Landes zu geben. Dies soll dazu dienen, mehr Wissenschaftler und Techniker bei der Verbesserung ihrer wissenschaftlichen Forschung und ihrer populärwissenschaftlichen Fähigkeiten anzuleiten, die Verbesserung der wissenschaftlichen Bildung der gesamten Bevölkerung zu fördern und mit der Populärwissenschaft zum Aufbau eines starken Landes in Wissenschaft und Technologie beizutragen. #10 Millionen IP schafft Wissenschaft und Technologie

Das Universum, dieser riesige Raum, hat seit der Antike die unendliche Neugier und den Entdeckerdrang der Menschen geweckt. Vor zweitausend Jahren erforschte Qu Yuan in „Himmlische Fragen“ die Geheimnisse des Universums: „Wo ist der Himmel? Wie sind die zwölf Elemente aufgeteilt? Wohin gehören Sonne und Mond? Wo sind die Sterne angeordnet?“ Heute nutzen chinesische Wissenschaftler das weltweit führende Höhenobservatorium für kosmische Strahlung (LHAASO) in Daocheng auf einer Höhe von 4.410 Metern, um ultrahochenergetische Teilchen aus dem Weltraum einzufangen und so das jahrhundertealte wissenschaftliche Problem der Herkunft der kosmischen Strahlung zu lösen.

Die magische Reise der kosmischen Strahlung

Durch den kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technologie sind wir in der Lage, die Geheimnisse des Universums auf verschiedene Weise zu erforschen. Unter anderem enthalten die kosmischen Strahlen als hochenergetische Teilchen aus dem Weltall wichtige wissenschaftliche Informationen über die Entstehung des Universums, die Entwicklung der Himmelskörper und viele andere Aspekte und sind für die Menschheit zu einem wichtigen Mittel zur Erforschung des Universums geworden. Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonen, Heliumkernen, Eisenkernen, Positronen, Elektronen, Photonen, Neutrinos und anderen Komponenten. Sie sind die einzigen Materialproben, die der Mensch derzeit aus den Tiefen des Universums gewinnen kann. „Kosmische Strahlung liefert wichtige wissenschaftliche Informationen über die Entstehung des Universums, die Entwicklung der Himmelskörper, die Sonnenaktivität usw. Das Studium der kosmischen Strahlung und ihrer Ursprünge ist für den Menschen eine wichtige Möglichkeit, das Universum zu erforschen.“ Cao Zhen, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Chefwissenschaftler von Lasso und Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, stellte vor.

Ein bemerkenswertes Merkmal der kosmischen Strahlung ist ihre extrem hohe Energie. Um diese hochenergetischen Teilchen zu untersuchen, hat der Mensch riesige Beschleuniger gebaut, wie beispielsweise den Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN). Allerdings haben selbst solche Beschleuniger Schwierigkeiten, das Niveau der Teilchen mit der höchsten Energie in der kosmischen Strahlung zu erreichen. Dadurch eignen sich kosmische Strahlen ideal für die Untersuchung extremer physikalischer Phänomene und die Prüfung grundlegender physikalischer Gesetze.

Warum können Teilchen mit solch hoher Energie im Universum beschleunigt werden? Wie beschleunigen sie? Um diese Fragen zu beantworten, müssen die Eigenschaften der kosmischen Strahlung präzise gemessen und ihre Quellen zurückverfolgt werden.

Lasso: Ein leistungsstarkes Werkzeug zum Einfangen kosmischer Strahlung

Nach dem Eintritt in die Atmosphäre interagieren die Teilchen der kosmischen Strahlung mit den Atomkernen in der Atmosphäre und erzeugen Sekundärteilchen. Diese Teilchen interagieren weiterhin mit den Atomkernen, aus eins wird zehn, aus zehn wird hundert, und dies wiederholt sich viele Male. Schließlich kann die Zahl der Sekundärteilchen mehrere zehn Milliarden erreichen, ähnlich einem Teilchenschauer in der Luft, der sich in einer Milliardstel Sekunde über eine Fläche von mehreren Quadratkilometern ausbreitet. Dieser Vorgang wird als Luftschauer bezeichnet. Wissenschaftler bauen erdgebundene Detektoren, die Sekundärteilchen – also Spuren, die kosmische Strahlung in der Atmosphäre oder nach Erreichen des Bodens hinterlässt – erkennen und so Rückschlüsse auf ihre Eigenschaften und Ursprünge ziehen können.

Das hochgelegene Lazo Cosmic Ray Observatory im Haizi-Berg in Daocheng, Sichuan, ist eines der höchsten, größten und empfindlichsten Geräte zur Erkennung ultrahochenergetischer Gammastrahlen der Welt.

Luftbild des Kabels/Quelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Grund für die Ansiedlung des Lazo-Observatoriums in einer hochgelegenen Region liegt darin, dass die Luft in hochgelegenen Regionen dünner ist und die Atmosphäre weniger kosmische Strahlung absorbiert. Dies trägt dazu bei, mehr Informationen über kosmische Strahlung zu erfassen und bietet einen einzigartigen Vorteil für die Untersuchung kosmischer Strahlung. Lasso verwendet auf innovative Weise einen zusammengesetzten Beobachtungsmodus, der aus drei Arrays besteht: dem 1 Quadratkilometer großen bodengestützten Partikelschauer-Detektor-Array (KM2A), das aus 5.216 elektromagnetischen Partikeldetektoren und 1.188 Myonendetektoren besteht, dem 78.000 Quadratmeter großen Wasser-Tscherenkow-Detektor-Array (WCDA), das aus 3.120 Detektoreinheiten besteht, und dem Weitwinkel-Tscherenkow-Teleskop-Array, das aus 18 Teleskopen besteht. Diese Detektoren werden verwendet, um einen „Partikelregen“ aus dem Weltraum zu empfangen und können Informationen wie Richtung, Energie und Zusammensetzung der kosmischen Strahlung genau messen. Sie liefern den Wissenschaftlern Datenressourcen und ermöglichen die Durchführung eingehender Forschungen zu Schlüsselfragen wie dem Ursprung, dem Beschleunigungsmechanismus und dem Ausbreitungsprozess der kosmischen Strahlung. Cao Zhen führte ein: „Mit zunehmender Beobachtungszeit kann Lasso möglicherweise auch die Beschleunigungsquelle energiereicherer kosmischer Strahlung erkennen, wodurch das Rätsel um den Ursprung der kosmischen Strahlung in der Milchstraße gelöst werden könnte.“

Ein „Superbeschleuniger“ tief in der Galaxie

Aufgrund der beispiellosen Empfindlichkeit von Lazo bei der Detektion ultrahochenergetischer Gammastrahlen und seines weiten Sichtfelds kam es zu revolutionären Veränderungen in der Gammaastronomieforschung. Allein während des ersten Betriebs wurden in der Milchstraße 12 ultrahochenergetische Gammalichtquellen bzw. Kandidaten für ultrahochenergetische kosmische Beschleuniger entdeckt. Außerdem wurden die energiereichsten Photonen aufgezeichnet, die jemals von Menschen beobachtet wurden. Sie erreichten 1,4 PeV (eV „Elektronenvolt“ ist die Energieeinheit in der Teilchenphysik, PeV wird als „Petaelektronenvolt“ gelesen, 1 PeV = 1 × 1015 eV) und läuteten damit die Ära der „Ultrahochenergie-Gammaastronomie“ ein.

Schematische Darstellung der zwölf im Experiment entdeckten stabilen Gammastrahlenquellen

Vom Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

In den darauffolgenden mehr als zwei Jahren beobachtete Lasso weiterhin eine große Zahl von Gammaphotonen von Schwanensternen und entdeckte in Schwan eine riesige Blasenstruktur aus ultrahochenergetischen Gammastrahlen, in der er Kandidaten für Himmelskörper als Ursprungsort kosmischer Strahlung mit Energien von über 100 Billionen Elektronenvolt fand. Es wird berichtet, dass die riesige, ultrahochenergetische Gammastrahlenblasenstruktur, die Lasso dieses Mal entdeckt hat, mindestens 5.000 Lichtjahre von uns entfernt ist und größer ist als 10 Millionen Sonnensysteme. In der Blasenstruktur gibt es mehrere Photonen mit Energien von über 1 Billiarde Elektronenvolt, wobei die höchste Energie 2 Billiarden Elektronenvolt erreicht. Die Energie der kosmischen Strahlungsteilchen, die diese Photonen aussenden, ist tausendmal höher als die von künstlich beschleunigten Teilchen. Diese neuen Entdeckungen deuten darauf hin, dass sich im Inneren der Blase ein „Super-Beschleuniger für kosmische Strahlung“ befindet, der kontinuierlich hochenergetische kosmische Strahlung mit einer Energie von über 10 Billionen Elektronenvolt aussendet.

Schematische Darstellung der ultrahochenergetischen Gammastrahlenblase, die vom Super Cosmic Ray Accelerator erzeugt wird

Vom Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Auf der Grundlage von Beobachtungen gelangte Lasso außerdem zu dem Schluss, dass der Superbeschleuniger für kosmische Strahlung im Inneren der Blase dafür sorgte, dass die Dichte der kosmischen Strahlung im umgebenden interstellaren Raum deutlich höher war als das durchschnittliche Niveau der kosmischen Strahlung in der Milchstraße. Der betroffene räumliche Bereich geht sogar weit über die Größenordnung der derzeit beobachteten Blasen hinaus und bietet eine mögliche Erklärung für die zuvor von Lasso entdeckte übermäßige diffuse Gammastrahlung aus der Milchstraße.

Obwohl die Menschheit die Existenz kosmischer Strahlung bereits vor über 100 Jahren entdeckte, bleibt ihr Ursprung ein Rätsel. „Das riesige Universum birgt unendliche Geheimnisse und wir sind immer auf der Suche nach der Erforschung dieser Geheimnisse.“ Wie Akademiemitglied Cao Zhen sagte, wird sich das Verständnis der Menschheit für kosmische Strahlung mit dem kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technologie und der kontinuierlichen Verbesserung des Observatoriumsbaus weiter vertiefen. Wir haben Grund zu der Annahme, dass die Menschheit in naher Zukunft in der Lage sein wird, weitere Geheimnisse der kosmischen Strahlung zu lüften und größere Beiträge zur Erforschung der Natur und Entwicklung des Universums zu leisten.

(Auszug von Cao Zhen, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, leitender Wissenschaftler des LHAASO, Direktor des Tianfu Cosmic Ray Research Center und Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, anlässlich der Tian-Vorlesung zur Popularisierung der Wissenschaft am Silvesterabend 2025, zusammengestellt von Guangming Online-Reporter Tian Xinyu)