Rätsel der kosmischen Extrem-Teilchen gelöst?

Kosmisches Mysterium: Seit Jahren rätseln Astrophysiker über den Ursprung der energiereichsten kosmischen Strahlung, denn einige dieser ultraenergiereichen Teilchen scheinen aus dem leeren Raum zu kommen. Jetzt könnte es eine Erklärung geben: Möglicherweise bestehen die kosmischen Ausreißer-Teilchen aus schweren Atomkernen statt aus Protonen und leichten Elementen, wie bislang gedacht. Das würde erklären, warum sie auf ihrem Flug nur wenig Energie verlieren, wie Forscher berichten. Auch die Quellen dieser Rätselteilchen ließen sich dann leichter finden.

Die Erde wird ständig von energiereichen Teilchenströmen aus dem All getroffen, doch die Quellen dieses Bombardements sind größtenteils unbekannt. Zwar scheint klar, dass diese kosmische Strahlung entsteht, wenn Materie stark beschleunigt wird, beispielsweise durch Schwarze Löcher oder bei kosmischen Explosionen. Doch in den letzten Jahren wurden einige kosmische Teilchen detektiert, deren extreme Energie von mehr als 100 Exaelektronenvolt (EeV) schwer erklärbar ist.

Woher kommen die Extrem-Teilchen?

Eines dieser Rätselteilchen ist das 2021 entdeckte „Amaterasu“-Teilchen, das mit 240 Exaelektronenvolt auf die Erdatmosphäre prallte – scheinbar aus dem Nichts. „Wenn wir Strahlungspartikel wie Amaterasu detektieren, können wir aus ihrer Energie, ihrer Flugrichtung und magnetischen Ablenkungen oft Rückschlüsse auf ihre Herkunft ziehen“, erklärt Co-Autor Kohta Murase von der Pennsylvania State University.

Doch für Amaterasu ergaben diese Analysen Unerwartetes: Der Ursprung dieses Extremteilchens schien im lokalen Void zu liegen, einer weitgehend leeren Region im Umfeld unserer Galaxie. Das warf die Frage auf, aus welchen Quellen dieses und ähnliche Teilchen der ultraenergiereichen kosmischen Strahlung (UHECR) stammen. „Die Ursprünge und Beschleunigungsmechanismen der ultraenergiereichen kosmischen Strahlung sind eines der größten Mysterien unseres Fachgebiets“, sagt Murase.

Schwere Atomkerne statt Protonen

Jetzt könnte es eine Lösung für dieses Rätsel geben: Murase, Erstautor Theodore Zhang von der Universität Kyoto und ihr Team haben untersucht, ob die Art und Masse der kosmischen Teilchen ihre ungewöhnlich hohe Energie erklären könnte. Normalerweise besteht die kosmische Strahlung größtenteils aus Protonen und den Atomkernen anderer leichter Elemente. Weil diese geladenen Teilchen auf ihrem Flug stark durch magnetische Einflüsse des interstellaren Mediums abgelenkt und gebremst werden, verlieren sie schnell an Energie – dies begrenzt auch ihre Reichweite.

Das ändert sich jedoch, wenn die ultraenergiereichen Teilchen aus schweren Atomkernen bestehen – Kernen von Elementen schwerer als Eisen, wie beispielsweise Selen, Tellur oder Platin. Sie können bei Ereignissen wie der Kollision von Neutronensternen, Gammastrahlenausbrüchen oder besonders starken Kernkollaps-Supernovae entstehen, wie Zhang und seine Kollegen erklären.

Mehr Energie und größere Reichweite

„Solche ultraschweren Atomkerne haben den Vorteil, dass sie auf Energien von mehr als 100 Exaelektronenvolt beschleunigt werden können, weit mehr als konventionelle Kerne geringer oder mittlerer Masse“, schreiben die Astrophysiker. Noch wichtiger jedoch: Wegen ihrer höheren Masse verlieren die ultraschweren Teilchen weniger Energie auf ihrem Flug und zerfallen später. Das könnte erklären, warum sie mit ungewöhnlich hohen Energien auf die Erde treffen.

Was dieses Szenario konkret für ein Teilchen wie Amaterasu bedeutet und wie solche ultraschweren Atomkerne zum Spektrum der energiereichen kosmischen Strahlung passen, haben Zhang und sein Team jetzt erstmals genauer durchgerechnet. Dafür simulierten sie kosmische Strahlung einmal mit, einmal ohne ultraschwere Kerne und verglichen dies mit Daten des Pierre-Auger-Observatoriums in Argentinien und des Telescope Array in Utah.

Neue Hinweise auf den Ursprung von Amaterasu

Das Ergebnis: „Wenn man ultraschwere Atomkerne als zusätzliche Population der ultraenergiereichen kosmischen Strahlung einbezieht, passen die Ergebnisse besser zum Spektrum und zur Zusammensetzung der vom Telescope Array gemessenen kosmischen Strahlung“, berichten die Astrophysiker. Die schweren Teilchen könnten vor allem den bisher rätselhaften Überschuss im höchsten Energiebereich erklären.

Das neue Szenario könnte auch das Herkunftsrätsel des mysteriösen Amaterasu-Teilchens lösen. „Geht man von leichteren Teilchen bis zur Masse des Eisens aus, läge der Ursprung des Amaterasu-Teilchens im lokalen Void“, erklärt das Team. „Ist dieses Teilchen aber ein ultraschwerer Atomkern, dann könnte seine Quelle jenseits des lokalen Voids liegen oder sogar nahe der supergalaktischen Ebene.“ In dieser Ebene liegen gleich mehrere Galaxienhaufen, aus denen das Teilchen gekommen sein könnte.

Löst dies das Rätsel?

Nach Ansicht der Astrophysiker könnten demnach schwere Atomkerne zumindest einen Teil der ultraenergiereichen kosmischen Strahlung erklären. „Wir sagen damit nicht, dass die gesamte kosmische Strahlung aus solchen ultraschweren Atomkernen besteht“, betont Murase. „Aber wenn einige der energiereichsten bisher detektierten Ereignisse auf solchen Teilchen beruhen, dann könnte dies auch bei der Suche nach ihren Quellen helfen.“

Ob ihr Szenario zutrifft, könnten künftige Messungen mit neuen Detektoren verraten, darunter einer Erweiterung des Auger-Observatoriums in Argentinien und das geplante Global Cosmic Ray Observatory in den USA. Diese sind speziell darauf ausgelegt, ultraenergiereiche kosmische Strahlung einzufangen und zu analysieren.

Quelle: B. Theodore Zhang (Kyoto University) et al., Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/221m-gvs3

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar