Im Schwan verbirgt sich eine riesige „Blase“. Wie weit ist Lasso davon entfernt, das „Geheimnis des Jahrhunderts“ über den Ursprung der kosmischen Strahlung zu lösen?

Kürzlich entdeckten Wissenschaftler des kosmischen Strahlungsobservatoriums LHAASO in einer Höhe von 4.410 Metern im Kreis Daocheng in der Provinz Sichuan mithilfe von LHAASO eine riesige Blasenstruktur mit ultrahoher Energie und einem Durchmesser von 1.000 Lichtjahren in der Sternentstehungsregion des Sterns Schwan. Sie fanden das Ursprungsobjekt mit einer Energie von mehr als 100 Billionen Elektronenvolt und zertifizierten die erste Super-Beschleunigungsquelle für kosmische Strahlung. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Lösung des Rätsels um den Ursprung der kosmischen Strahlung. Diese Errungenschaft wurde am 26. Februar als Titelartikel in der Fachzeitschrift Science Bulletin veröffentlicht.

Kosmische Strahlung, auch kosmische Strahlung genannt, sind schnell aufgeladene Teilchen aus dem Weltraum. Ihre Hauptbestandteile sind Protonen, aber auch verschiedene Atomkerne, Elektronen und einige Antimaterieteilchen. Diese Teilchen wurden erstmals 1912 vom österreichischen Physiker Victor Hess bei Höhenballonexperimenten entdeckt. Anschließend entdeckten Wissenschaftler durch die Untersuchung der kosmischen Strahlung eine große Zahl von Elementarteilchen, was die Entwicklung der Teilchenphysik vorantrieb.

Der Energieverteilungsbereich kosmischer Strahlungsteilchen ist sehr breit und reicht bis zu 3×1020 Elektronenvolt, was dem Zehnmillionenfachen der maximalen Teilchenenergie entspricht, die mit dem derzeit leistungsstärksten künstlichen Teilchenbeschleuniger beschleunigt werden kann. Wie kosmische Strahlung entsteht und warum sie eine so hohe Energie hat, hat die Wissenschaft schon immer vor Rätsel gestellt. Welche Himmelskörper in der Milchstraße die Energie produzieren, die letztendlich die kosmische Strahlung bildet, bleibt ein ungelöstes Rätsel und war im letzten Jahrzehnt ein heißes Forschungsthema.

Ab 2019 wurde bei „Lasso“ der Modus „Aufbau und Betrieb gleichzeitig“ eingeführt und das Detektorarray schrittweise und chargenweise in den wissenschaftlichen Betrieb genommen. Im Jahr 2020 entdeckte Lasso innerhalb von 11 Monaten 12 Quellen ultrahochenergetischer Gammastrahlen und stellte fest, dass die damals energiereichsten Photonen (bis zu 1,4 Billiarden Elektronenvolt) vom Sternbild Schwan stammten. Damit öffnete sich ein Fenster für die ultrahochenergetische Gammaastronomie. Nachdem der Aufbau des gesamten Arrays im Juli 2021 abgeschlossen war, konnte „Lasso“ dank seiner überlegenen Detektorempfindlichkeit die Zahl der erkannten Gammastrahlenquellen mit ultrahoher Energie innerhalb eines Jahres auf 43 steigern und damit seine extrem starke Fähigkeit zur Erkennung von Gammastrahlenquellen unter Beweis stellen.

Die Sternentstehungsregion im Sternbild Schwan ist die hellste Region der Milchstraße am Nordhimmel und beherbergt mehrere massereiche Sternhaufen. Die Lebensdauer massereicher Sterne beträgt nur wenige Millionen Jahre. Das Innere eines Sternhaufens ist daher voller äußerst aktiver Sterne und weist eine komplexe, starke Stoßwellenumgebung auf, was ihn zu einem idealen Ort für die Beschleunigung kosmischer Strahlung macht. Dieses stark beobachtete Gebiet ist zum besten Ort für die Suche nach Quellen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung geworden und hat einen Durchbruch bei der Lösung des „Rätsels des Jahrhunderts“ ermöglicht.

Im Laufe der Beobachtungszeit und der gesammelten Daten entdeckte das Forschungsteam in Richtung Schwan, 5.000 Lichtjahre von der Erde entfernt, eine riesige Blasenstruktur mit ultrahochenergetischen Gammastrahlen und einem Durchmesser von mehr als 1.000 Lichtjahren. Nach mehr als drei Jahren Beobachtung zeichnete Lasso in dieser Richtung 66 Photonen mit Energien von über 40 Billionen Elektronenvolt auf, von denen 8 Photonen Energien von über 1 Billiarde Elektronenvolt hatten. Die höchste Energie erreichte 2,5 Billiarden Elektronenvolt und stellte damit einen neuen Rekord für das energiereichste Photon auf.

Im zentralen Bereich der Gammastrahlenblasenstruktur ist die Verteilung der Photonen konzentrierter, sie ist deutlich höher als die durchschnittliche Photonendichte in der Blasenstruktur. Dies zeigt, dass sich im Zentrum der Blasenstruktur eine Beschleunigungsquelle für kosmische Strahlung befinden muss, die kontinuierlich kosmische Strahlung in die Umgebung abgibt, und dass diese riesige „Blase“ von der Superbeschleunigungsquelle für kosmische Strahlung erzeugt wird.

Welche Art von Himmelskörper kann die Energie der kosmischen Strahlung auf ein so hohes Niveau beschleunigen? Wissenschaftler gehen davon aus, dass der massereiche Sternhaufen im zentralen Bereich der Sternentstehungsregion des Sternbilds Schwan der wahrscheinlichste entsprechende Himmelskörper des Superbeschleunigers für kosmische Strahlung ist.

Die meisten Sterne im Haufen sind jung und heiß und einige haben Oberflächentemperaturen von mehreren zehntausend Grad Celsius. Die Strahlungsintensität dieser Sterne ist hundert- bis millionenfach höher als die der Sonne. Der enorme Strahlungsdruck bläst Materie von der Oberfläche des Sterns heraus und bildet einen starken Sternwind mit einer Geschwindigkeit von Tausenden von Kilometern pro Sekunde. Die Kollision zwischen Sternwinden und dem umgebenden interstellaren Medium sowie die heftigen Kollisionen zwischen Sternwinden erzeugen eine extreme Umgebung mit starken Stoßwellen und starken Turbulenzen und machen ihn zu einem leistungsstarken Teilchenbeschleuniger. Wenn die Teilchen genügend Energie erreichen, verlassen sie die Beschleunigungszone und die kosmische Strahlung breitet sich im weiteren interstellaren Raum aus.

Mit der Entdeckung von „Lazo“ wurde nicht nur erstmals die Beschleunigungsquelle für kosmische Strahlung im Petaelektronenvoltbereich lokalisiert, nach der Hochenergie-Astrophysiker seit Jahrzehnten suchen, sondern auch gezeigt, dass die Teilchenbeschleunigungsfähigkeit von Himmelskörpern in der Milchstraße möglicherweise die herkömmliche Grenze von Petaelektronenvolt überschritten hat, was wichtige Auswirkungen auf die Erforschung des Ursprungs der kosmischen Strahlung haben wird. Mit zunehmender Beobachtungszeit könnte „LASO“ weitere Beschleunigungsquellen kosmischer Strahlung mit Energien von Billiarden Elektronenvolt oder sogar mehr entdecken und dürfte so das Rätsel um den Ursprung der kosmischen Strahlung in der Milchstraße lösen.

(Zhang Chongyang ist Ingenieur am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Liu Ruoyu ist Forscher an der Universität Nanjing)