Seit Jahrzehnten rätseln Wissenschaftler über kosmische Teilchen mit phänomenaler Energie. Eine neue Theorie könnte endlich Licht auf ihren Ursprung werfen.
Die ultrahoch energetische kosmische Strahlung (UHECR) übertrifft alles, was der Mensch im Labor erzeugen kann. Ihre Entdeckung liegt über 60 Jahre zurück, doch ihre genaue Herkunft bleibt ein Rätsel. Glennys Farrar, Physikerin an der
New York University, präsentiert eine neuartige Erklärung im Zusammenhang mit der Verschmelzung von Neutronensternen.
Farrars Theorie zufolge werden diese Teilchen in turbulenten magnetischen Strömen beschleunigt, die bei der Verschmelzung von Neutronensternen entstehen. Dieser Prozess, der der Bildung eines Schwarzen Lochs vorausgeht, erzeugt auch Gravitationswellen. Letztere wurden bereits von den LIGO-Virgo-Kollaborationen nachgewiesen und bieten einen Ansatz zur Validierung.
Die Theorie erklärt zwei rätselhafte Eigenschaften der UHECR: ihre extreme Energie und die Korrelation zwischen dieser Energie und ihrer elektrischen Ladung. Sie deutet darauf hin, dass die energiereichsten Teilchen von seltenen Elementen wie Xenon oder Tellur stammen, die bei diesen Verschmelzungen entstehen.
Dieser Durchbruch eröffnet neue Perspektiven für die kosmische Forschung. Er verbindet wichtige astrophysikalische Phänomene wie kurze Gammastrahlenausbrüche mit der Produktion seltener Elemente. Zukünftige Beobachtungen könnten dieses Modell bestätigen, indem sie nach ultrahoch energetischen Neutrinos suchen, die mit Gravitationswellen in Verbindung stehen.
Die in
Physical Review Letters veröffentlichte Studie basiert auf fortschrittlichen Computersimulationen. Sie zeigt, wie Magnetfelder, die während der Verschmelzung verstärkt werden, Jets strukturieren können, die in der Lage sind, die UHECR zu beschleunigen. Diese Arbeit stützt sich auf Daten, die von verschiedenen Observatorien weltweit gesammelt wurden.
Diese Bilder zeigen die Verschmelzung zweier Neutronensterne, simuliert mit einem neuen Modell auf einem Supercomputer. Die roten Farben zeigen Bereiche mit geringerer Dichte. Die grünen und weißen Bänder und Linien repräsentieren die Magnetfelder. Die Sterne verlieren schnell Energie durch Gravitationswellen und verschmelzen in weniger als 8 Millisekunden. Das Magnetfeld wird dann verstärkt und ungeordnet. Ein Schwarzes Loch entsteht, und das Magnetfeld wird strukturierter, wodurch es die Jets unterstützen kann, die für kurze Gammastrahlenausbrüche verantwortlich sind.
Bildnachweis: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz und L. Rezzolla.
Farrar betont die Bedeutung dieser Entdeckung für das Verständnis des Universums. Sie bietet einen testbaren theoretischen Rahmen, der mehrere Bereiche der Astrophysik vereinen könnte. Die kommenden Jahre werden entscheidend sein, um diese Hypothese zu bestätigen oder zu widerlegen, insbesondere durch die Verbesserung der Gravitationswellen- und kosmischen Strahlungsdetektoren.
Wie entstehen bei der Verschmelzung von Neutronensternen seltene Elemente?
Die Verschmelzung von Neutronensternen ist eine kosmische Fabrik für seltene und schwere Elemente wie Gold oder Platin. Dieser Prozess, genannt schneller Neutroneneinfang (r-Prozess), findet unter extremen Bedingungen von Dichte und Temperatur statt.
Während der Verschmelzung werden große Mengen an Neutronen freigesetzt und von Atomkernen eingefangen. Dies führt zur Bildung instabiler Isotope, die sich anschließend in stabile Elemente umwandeln. Diese Kernreaktionen sind so schnell, dass sie in gewöhnlichen Sternen nicht stattfinden können.
Die so erzeugten Elemente werden dann durch die Stoßwellen der Verschmelzung im Weltraum verteilt. Sie reichern das interstellare Medium an und tragen zur chemischen Zusammensetzung zukünftiger Sterne und Planeten bei. Dieser Mechanismus erklärt, warum diese Elemente im Universum relativ selten sind.
Welche Rolle spielen Magnetfelder bei der Verschmelzung von Neutronensternen?
Magnetfelder spielen eine Schlüsselrolle bei der Verschmelzung von Neutronensternen. Anfangs besitzt jeder Stern sein eigenes, oft sehr starkes Magnetfeld. Während der Verschmelzung verflechten und verstärken sich diese Felder durch Turbulenzen.
Diese Verstärkung kann extreme Ausmaße erreichen und komplexe magnetische Strukturen erzeugen. Diese Strukturen sind in der Lage, Teilchen auf phänomenale Energien wie die UHECR zu beschleunigen. Sie können auch einen Teil der Fusionsenergie in Form von Jets kanalisieren, die für kurze Gammastrahlenausbrüche verantwortlich sind.
Nach der Bildung des Schwarzen Lochs ordnet sich das Magnetfeld neu um dieses herum an. Aktuelle numerische Simulationen ermöglichen ein besseres Verständnis dieser dynamischen Prozesse und ihrer beobachtbaren Signaturen.
Quelle: Physical Review Letters