Die theoretische Grenze wird erneut überschritten! Wissenschaftler entdecken kosmische Strahlung mit der zweithöchsten Energie aller Zeiten

Am 24. November 2023 gaben Forscher in einer im Fachmagazin Science veröffentlichten Studie bekannt, dass sie ein kosmisches Strahlungsereignis mit unvorstellbar hoher Energie entdeckt hätten. Die Forscher nannten diesen kosmischen Strahl „ Amaterasu-Partikel “ (Amaterasu ist die Sonnengöttin Amaterasu in der japanischen Mythologie). Doch rätselhafterweise ist keine bekannte Quelle in der Lage, Teilchen mit so hohen Energien zu erzeugen.

Jenseits theoretischer Grenzen

Kosmische Strahlung besteht aus subatomaren Teilchen außerhalb der Erdatmosphäre, wie etwa Protonen (die Kerne von Wasserstoffatomen), die sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen.

Wenn wir über die Energie kosmischer Strahlung sprechen, verwenden wir am häufigsten die Einheit Elektronenvolt (eV). 1 Elektronenvolt bezeichnet die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Potentialdifferenz von 1 Volt durchläuft. Kosmische Strahlung kommt in einem breiten Spektrum von Energien vor. Am häufigsten sind Strahlen mit der niedrigsten Energie, wie etwa die Strahlung der Sonne. Wenn die Energie der kosmischen Strahlung 1 × 10^18 eV übersteigt, kann man von ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung sprechen. Diese Energie ist 1 Million Mal höher als die höchste Energie, die von künstlichen Teilchenbeschleunigern erreicht werden kann. Der Ursprung der kosmischen Strahlung mit ultrahoher Energie wird allgemein mit einigen der extremsten Phänomene im Universum in Verbindung gebracht, etwa mit Gammastrahlenausbrüchen oder relativistischen Jets um Schwarze Löcher.

Was ist also die höchstmögliche Energie der kosmischen Strahlung? In den 1960er Jahren schlugen drei Wissenschaftler eine theoretische Grenze für die Energie der kosmischen Strahlung vor: Die Energie der kosmischen Strahlung, die aus einer Entfernung von 300 Millionen Lichtjahren von der Erde emittiert wird, sollte 5 × 10^19 eV nicht überschreiten. Dieser Wert wird als GZK-Grenze (Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenze) bezeichnet. Wird dieser Grenzwert überschritten, interagieren die kosmischen Strahlen auf ihrem Weg durch den Weltraum mit der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung , wodurch sie auf ihrem Weg kontinuierlich Energie verlieren.

Kosmischer Mikrowellenhintergrund: Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum ausreichend abgekühlt, sodass Elektronen und Atomkerne stabile Atome bilden konnten. Dies bedeutet, dass Photonen im Universum nicht mehr an Elektronen gestreut werden und sich frei ausbreiten können. Diese Photonen durchdringen das Universum noch immer, ihre Wellenlängen wurden jedoch im Zuge der Ausdehnung des Universums bis in den Mikrowellenbereich ausgedehnt. (Foto/ESA/Planck-Zusammenarbeit)

Im Jahr 1991 entdeckten Astronomen jedoch kosmische Strahlung mit Energien von bis zu 3,2 × 10^20 eV, die offensichtlich die theoretische Grenze überschritt. Das bedeutet, dass diese Strahlung theoretisch nicht von anderen weit entfernten Galaxien stammen sollte. Allerdings ist kein Himmelskörper in der Milchstraße in der Lage, derart energiereiche Teilchen zu produzieren. Dieses erstaunliche Teilchen mit hoher Energie wurde später „Oh-mein-Gott-Teilchen“ genannt.

Wenn man in einem künstlichen Beschleuniger derart hohe Energien erzeugen möchte, müsste dieser Beschleuniger eine Größe haben, die mit der Umlaufbahn des Merkur vergleichbar ist. Nun überschreitet auch die Energie des neu entdeckten Amaterasu-Teilchens die GZK-Grenze, die bei etwa 2,4 x 10^20eV liegt. Dies ist der kosmische Strahl mit der höchsten Energie, der seit dem Oh-Mein-Gott-Teilchen vor über 30 Jahren registriert wurde. Wie also haben die Forscher Amaterasu-Partikel eingefangen?

Einzigartiges Teleskop-Array

Wenn kosmische Strahlungspartikel aus dem Weltraum die Erde erreichen, treffen sie auf die obere Erdatmosphäre und kollidieren mit den Sauerstoff- und Stickstoffkernen in der Atmosphäre, wodurch eine Kaskade sekundärer Partikel ausgelöst wird. Diese sogenannten „atmosphärischen Schauer“ enthalten Milliarden von Sekundärteilchen. Wenn sie auf der Erde verstreut sind, ist die bedeckte Oberfläche riesig. Der durch kosmische Strahlung mit 1020 eV verursachte atmosphärische Schauer kann auf der Oberfläche eine Fläche von bis zu 16 Quadratkilometern bedecken.
Ströme hochenergetischer Teilchen aus dem Weltraum durchdringen die Erdatmosphäre.

Foto: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Daher benötigen wir einen Detektor mit einem größeren Abdeckungsbereich. Das Telescope Array außerhalb von Delta in der Wüste im Westen Utahs ist ein solches Experiment. Es besteht aus 507 Bodendetektoren, die in einem quadratischen Raster angeordnet sind und eine Fläche von 700 Quadratkilometern auf der Oberfläche abdecken.

Das Teleskop-Array befindet sich in einer Höhe von etwa 1.200 Metern, was die optimale Höhe für eine maximale Erfassung sekundärer Teilchen darstellt. Sein Standort bietet zwei Vorteile: trockene Luft, die entscheidend ist, da Feuchtigkeit das für die Erkennung erforderliche ultraviolette Licht absorbiert; und die Gegend verfügt über einen ausgezeichneten dunklen Himmel, was ebenfalls wichtig ist, da Lichtverschmutzung die Erkennung kosmischer Strahlung beeinträchtigt.

Am 27. Mai 2021 entdeckte das Teleskop-Array das Amaterasu-Partikel. Der Luftschauer löste 23 Detektoren im nordwestlichen Bereich des Teleskop-Arrays aus, die eine Fläche von 48 Quadratkilometern abdecken. Durch die Untersuchung der Partikel in den nachgewiesenen atmosphärischen Schauern können Wissenschaftler die Energie, Masse und Ankunftsrichtung der ursprünglichen kosmischen Strahlung rekonstruieren.

Kosmische Strahlen mit geringerer Energie verlaufen unter dem Einfluss des Magnetfelds im Zickzack. Da ultrahochenergetische kosmische Strahlen jedoch über eine hohe kinetische Energie verfügen, werden sie vom Magnetfeld weniger beeinflusst. (Foto/Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige)
Wir wissen, dass kosmische Strahlen geladene Teilchen sind und daher auf ihrem Weg zur Erde von den Magnetfeldern der Milchstraße und außerhalb der Milchstraße abgelenkt werden. Ihre Bahnen ähneln ein wenig den Kugeln in einem Flipperautomaten, die im Zickzack durch das Magnetfeld verlaufen. Die kosmischen Strahlen mit niedrigerer Energie werden stärker vom Magnetfeld beeinflusst, sodass ihre Flugbahnen kaum nachvollziehbar sind. Aber bei „Oh-My-God“ und „Amaterasu“ gilt, dass sie vom Magnetfeld kaum beeinflusst werden und sich daher relativ reibungslos im Raum bewegen. Indem sie die Richtung der kosmischen Strahlung verfolgen, sollten Astronomen in der Lage sein, deren Ursprung leicht zurückzuverfolgen.

Als die Forscher jedoch versuchten, Amaterasus Flugbahn zu verfolgen, um seine Ursprünge zu analysieren, fanden sie nichts. Denn sie haben berechnet, dass die Quelle von Amaterasu eine Region zu sein scheint, die einem riesigen Leerraum ähnelt und in der es fast keine Galaxien gibt . Mit anderen Worten: Sie fanden keine Himmelsereignisse, die stark genug waren, um so hohe Energien zu erzeugen. Dies macht diese Partikel besonders mysteriös.

Unbekannte Physik?

Was ist los? Eine mögliche Erklärung besteht darin, dass die Modelle, die die Forscher verwenden, um vorherzusagen, wie Magnetfelder die Bahnen der kosmischen Strahlung beeinflussen, falsch sind und möglicherweise angepasst werden müssen. Eine andere, spannender klingende Möglichkeit besteht darin, dass ultrahochenergetische kosmische Strahlen tatsächlich durch unbekannte physikalische Prozesse erzeugt werden, wodurch sie sich viel weiter ausbreiten können als bisher angenommen.

Als nächstes rüsten die Forscher das Teleskop-Array auf, um es viermal empfindlicher als zuvor zu machen. Nach der Fertigstellung werden 500 neue Szintillatordetektoren kosmische Strahlung auf einer Fläche von 2.900 Quadratkilometern einfangen. Durch die größere Abdeckung haben die Forscher die Möglichkeit, mehr seltene kosmische Strahlen mit ultrahoher Energie einzufangen und so ihren Ursprung genauer zu ermitteln.

Referenzlinks:

Ein extrem energiereicher kosmischer Strahl, beobachtet von einem Oberflächendetektor-Array
https://doi.org/10.1126%2Fscience.abo5095

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team: Prinzipal

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.