Die geheimnisvolle Quelle extragalaktischer kosmischer Strahlen

Die Partikel, die nicht existieren sollten

Ein Künstler-Rendering zeigt Partikel, die in die Atmosphäre gelangen und dort meilenweit ausladende Luftschauer auslösen. Bild von der NASA.

Es ist das Jahr 1912 und die Idee des amerikanischen Traums gibt US-Bürgern und Einwanderern gleichermaßen Hoffnung. Landwirte strömen langsam in die boomende Stadt und setzen Akzente in dicht besiedelten Gegenden wie New York, wo Italiener in den Kohlengruben arbeiten und russische und polnische Paare vor den Wagenmärkten der geschäftigen Straßen stehen. Geschichten wie die von Andrew Carnegie oder John D. Rockefeller lassen hoffen, dass auch sie eines Tages ein gutes Einkommen erzielen und Familien im Land der unbegrenzten Möglichkeiten gründen können. Niedrige Löhne und gefährliche Arbeitsbedingungen lassen die ersten Gewerkschaften auf See entstehen, ein Passagierschiff namens RMS Titanic sinkt in den späten Nachtstunden des 14. April.

Im selben Jahr arbeiteten die Wissenschaftler an Experimenten mit Elektroskopen - Instrumenten zur Detektion elektrischer Ladung oder was man sich als frühe Strahlungsdetektoren vorstellen könnte. Die Experimente zeigten eine allgegenwärtige Umgebungsstrahlung, die scheinbar nicht von einem bestimmten Ort kam. Die Strahlung war auch dann noch vorhanden, wenn die Experimente unterirdisch wiederhergestellt wurden. Dies führte zu der Hypothese, dass es von der Erde selbst stammen muss, eine Art terrestrisches Signal. Es war eine große Überraschung, als die gleichen Elektroskope auf Heißluftballons hochgeschickt wurden und die Signale nach einem kleinen, anfänglichen Abfall signifikant anstiegen. Dieser anfängliche Abfall war auf die Wechselwirkung der Strahlung mit Luftmolekülen zurückzuführen und schwächte sich ab, bevor sie erneut aufgestachelt wurde. Das Signal war überhaupt nicht terrestrisch. Sie waren kosmischen Ursprungs und müssen auf höheren Energieniveaus extragalaktisch sein.

Die passend benannten "kosmischen Strahlen" sind zu einem der größten Geheimnisse der Physik geworden.

Während einige energiearme Strahlen das Ergebnis von Prozessen in der Sonne sind, wird angenommen, dass die meisten von ihnen aus Supernova-Explosionen in der Milchstraße stammen. Der explodierende Stern führt zu Stoßwellen, die Partikel in einem Magnetfeld einfangen. Die Teilchen werden beschleunigt, bis sie genug Energie gewonnen haben, um in den Weltraum zu entkommen. Diese geladenen, energetischen Teilchen stellen wir hier auf der Erde fest und bezeichnen sie als kosmische Strahlung. Die Teilchen können von positiv geladenen Protonen bis zu schwereren ionisierten Kernen wie Sauerstoff und Eisen reichen, obwohl nur etwa 1% der kosmischen Strahlen aus schwereren Kernen bestehen. Sekundäre kosmische Strahlen wie Myonen und Elektronen passieren Sie jeden Tag, aber die Teilchen höherer Energie, die Wissenschaftler bei ihrer Entdeckung schockierten, sind selten und viel schwieriger zu entdecken. Wie sie hergestellt werden und woher sie kommen, ist ein Rätsel mit einigen paradoxen Begriffen.

Während Supernova-Explosionen kosmische Strahlung mit niedriger Energie erklären können, sind sie nicht in der Lage, Teilchen auf ultrahohe Ebenen zu beschleunigen. Bild von der NASA / JPL-Caltech.

Mitte Oktober 1991 wurde in Utah das Teilchen Oh-My-God entdeckt. Es bleibt das Teilchen mit der höchsten Energie, das jemals nachgewiesen wurde. Vor seiner Entdeckung glaubten Wissenschaftler nicht, dass Teilchen mit solch extremen Energien existieren könnten, und dennoch enthielt dieses Teilchen millionenfach mehr Energie als alles, was beim Large Hadron Collider möglich war. Künstliche Teilchen können ein Maximum von etwa 10³ eV (Elektronenvolt) erreichen, während die OMG-Teilchen Energien von 3 · 10² eV erreichen. Stellen Sie sich die Energie eines Baseballs vor, der über 80 km / h fährt, aber in einem einzigen Proton steckt.

Kosmische Strahlen von mehr als 10¹⁸eV werden als ultrahochenergetische kosmische Strahlung (UHECR) eingestuft und sollen von außerhalb unserer Galaxie kommen. Dies liegt daran, dass Teilchen mit höherer Energie schwieriger in kleineren Räumen eingeschlossen werden können - in diesem Fall ist der kleine Raum eine Galaxie. Ihre enormen Energieniveaus bedeuten aber auch, dass sie von großen und sehr gewalttätigen Ereignissen im Universum herrühren müssen. Aktive galaktische Kerne, Gammastrahlenausbrüche, Pulsare und Magnetare wurden alle als Quellen vermutet, von denen keine schlüssig ist.

Die im letzten Jahr veröffentlichte Studie versucht, UHECR mit Starburst-Galaxien zu verknüpfen. Starburst-Galaxien sind brillante Ziele im Universum, an denen Sterne mit einer überdurchschnittlichen Geschwindigkeit hergestellt werden. Eine Reihe von Supernova-Explosionen in diesen Galaxien kann eine enorme Ansammlung von ausströmendem Gas verursachen, was zu einer Stoßwelle führt, die Partikel auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Magnetfelder fangen Partikel ein, in denen sie beim Durchqueren der Stoßfront immer mehr Energie gewinnen. Schließlich sammeln sie genug Energie, um eine Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen und durch den Weltraum zu rasen. Laut dem Pierre Auger Observatory lassen Forschungsergebnisse, die UHECR- und Starburst-Galaxien kombinieren, immer noch 90% der Beobachtungen unberücksichtigt, was bedeutet, dass es immer noch eine bessere Übereinstimmung geben muss.

Das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien beherbergt 1.660 Barrel Wasser auf 1.860 m². An den Tanks montierte Röhren reagieren auf elektromagnetische Stoßwellen, wenn ein Partikel in einen Detektor eintritt.

Ein Problem bei der Annahme, dass Ereignisse wie Gammastrahlenausbrüche und Pulsare die Ursache für diese Teilchen sind, ist, dass sie nicht von weit her gekommen wären. Wenn die Teilchen weiter als 1–200.000.000 Lichtjahre entfernt wären, würde ihre gesamte Energie durch Wechselwirkungen mit der kosmischen Hintergrundstrahlung verloren gehen. Aber Ereignisse in diesem Bereich sollten für uns hier auf der Erde klar sichtbar sein, und dennoch wurde keine Quelle für diese Strahlen gefunden. Allerdings scheint es einen heißen Fleck um den Ursa Major (Big Dipper) Cluster zu geben, von dem ein Viertel dieser kosmischen Strahlung ausgeht. Das Problem bei der Rückverfolgung dieser Teilchen zu ihren Quellen besteht darin, dass kosmische Strahlen im Gegensatz zu Neutrinos, die sich in einer geraden Linie von der Quelle zum Ziel bewegen, während ihrer Reise durch Magnetfelder abgelenkt werden (dies schließt die Magnetfelder unserer eigenen Milchstraße ein). Wenn die Partikel schwerer sind, ändern sie sich auch, da sie Energie verlieren und sich auf dem Weg zu uns in einen anderen Partikeltyp verwandeln.

Sobald Detektoren wie CREAM (Cosmic-Ray Energetics and Mass Investigation) in der Stratosphäre über Antartica auf unserem Planeten ankommen, können sie Informationen über die Energie, den Typ und die Richtung der einfallenden Teilchen sammeln. Der Detektor wurde auf der Raumstation (ISS-CREAM) installiert, wo UHECR besser studiert werden konnte. Im Februar dieses Jahres wurde er jedoch abgeschaltet. Glücklicherweise sammeln Detektoren am Boden weiterhin Daten. Wenn Partikel auf die Atmosphäre treffen, lösen sie eine Kaskade aus - eine Luftdusche -, die Stickstoff in der Luft anregt. Nach der Abregung wird Strahlung erzeugt, die eine von Teleskopen erfasste Fluoreszenz abgibt.

Exotischere Theorien schlagen ultraschwere dunkle Materie vor, die in die UHECR-Teilchen zerfällt, obwohl diese Idee die meisten Teilchen aus Photonen und Neutrinos bestehen sollte. Dies ist nach aktuellen Beobachtungen nicht der Fall. Vom Urknall übrig gebliebene hypothetische Objekte (Domänenwände oder kosmische Fäden) könnten bei ihrem Zusammenbruch kosmische Strahlen verursachen, es wurden jedoch bisher keine Hinweise auf diese Strukturen gefunden.

In der roten Region der nördlichen Hemisphäre ereigneten sich die beobachteten Ereignisse am häufigsten. Dies ist ein vermeintlicher „Hot Spot“ der Aktivität der kosmischen Strahlung. Bild durch Teleskop-Array-Zusammenarbeit.

Kosmische Strahlung hat eine lustige Wirkung auf Menschen im Weltraum. Sie sind für helle Lichtflecken in den Augen der Astronauten verantwortlich und können möglicherweise zu Sehschäden und kognitiven Nebenwirkungen führen. Die Flecken manifestieren sich manchmal in kühneren Streifen oder Wolken. Eine ausreichende Exposition kann auch zu mutierten Zellen führen, was kosmische Strahlung nicht nur zwingend und mysteriös macht, sondern auch eines der größten Hindernisse für die bemannte Raumfahrt darstellt. In vielerlei Hinsicht wissen wir noch nicht viel mehr als zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als diese Partikel zum ersten Mal entdeckt wurden. Im Laufe der Jahre haben sie uns überrascht, sind uns entgangen und fordern uns jetzt auf, einen Weg zu finden, um mit ihnen zu leben, wenn wir wie sie durch das Universum reisen wollen.