Jede Sekunde, ohne dass Sie es wissen, durchqueren Billionen von unsichtbaren Teilchen Ihren Körper. Diese kosmischen Objekte durchqueren das Universum von fernen Quellen aus und reisen mit unvorstellbaren Geschwindigkeiten. Seit über einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler zu verstehen, woher diese Teilchen stammen und was ihnen eine so außergewöhnliche Energie verleiht.
Kosmische Strahlung sind extrem energiereiche Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit im Weltraum bewegen. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 1912 ist bekannt, dass sie aus verschiedenen Regionen unserer Galaxie und darüber hinaus stammen, doch ihre genauen Ursprünge blieben lange Zeit rätselhaft. Ein Team der Michigan State University unter der Leitung von Shuo Zhang liefert nun neue Antworten auf dieses kosmische Rätsel. Ihre aktuellen Forschungen, die auf einem Astronomiekongress vorgestellt wurden, untersuchen die natürlichen Beschleuniger, die diese Teilchen auf unvorstellbare Energien bringen.
Diese energiereichen Teilchen entstehen in extremen kosmischen Umgebungen wie Schwarzen Löchern, Supernova-Überresten oder Sternentstehungsregionen. Diese astrophysikalischen Phänomene produzieren auch Neutrinos, fast masselose Teilchen, die Materie - einschließlich Ihres Körpers - frei durchdringen.
Shuo Zhang betont daher, dass diese Strahlung uns direkt betrifft: Jede Sekunde durchqueren etwa hundert Billionen kosmische Neutrinos unseren Körper, ohne dass wir es bemerken. Diese Allgegenwärtigkeit wirft natürlich die Frage nach ihrer Herkunft und den sie erzeugenden Mechanismen auf.
Die Quellen der kosmischen Strahlung fungieren als natürliche Beschleuniger, die weitaus leistungsstärker sind als von Menschen gebaute. Das Forschungsteam konzentriert sich auf diese "PeVatrons", kosmische Beschleuniger, die in der Lage sind, Protonen und Elektronen auf phänomenale Energien zu beschleunigen. Das Verständnis ihrer Funktionsweise könnte grundlegende Fragen zur Entwicklung von Galaxien und zur Natur der Dunklen Materie beleuchten. Diese Forschungen eröffnen neue Perspektiven für die Erforschung der Teilchenbeschleunigungsmechanismen im Universum.
Röntgenbild eines neu entdeckten Pulsarwindnebels, der mit einer extremen Quelle galaktischer kosmischer Strahlung in Verbindung gebracht wird, aufgenommen vom Weltraumteleskop XMM-Newton.
Bildnachweis: Weltraumteleskop XMM-Newton
In einer ersten Studie, die in
The Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, untersuchte Stephen DiKerby einen PeVatron-Kandidaten, der vom Observatorium LHAASO entdeckt wurde. Durch die Analyse von Daten des Röntgenteleskops XMM-Newton identifizierte er einen Pulsarwindnebel - eine expandierende Blase, die relativistische Elektronen enthält, die von einem Pulsar angetrieben werden. Diese Entdeckung ermöglichte es, diese Quelle als einen spezifischen Typ kosmischen Beschleunigers zu klassifizieren, was einen wichtigen Schritt bei der Identifizierung der Ursprünge kosmischer Strahlung darstellt.
Drei Bachelor-Studenten trugen zu einer zweiten Forschung bei, indem sie das NASA-Weltraumteleskop Swift verwendeten. Ihre Arbeit ermöglichte die Festlegung von Obergrenzen für Röntgenemissionen von wenig erforschten kosmischen Quellen. Diese Ergebnisse werden als Grundlage für zukünftige Studien dienen und zur Erstellung eines umfassenden Katalogs von Quellen kosmischer Strahlung beitragen. Dieser Katalog wird eine wertvolle Ressource für Neutrino-Observatorien und traditionelle Teleskope werden.
Das Team bereitet nun eine neue Studie vor, die Daten des Neutrino-Observatoriums IceCube mit denen von Röntgen- und Gammastrahlen-Teleskopen kombiniert. Sie wollen verstehen, warum einige kosmische Quellen Neutrinos emittieren, während andere keine produzieren, und die Produktionsbedingungen dieser Teilchen identifizieren. Dieser kollaborative Ansatz zwischen Teilchenphysikern und Astronomen stellt einen vielversprechenden methodischen Fortschritt dar, um die Geheimnisse kosmischer Beschleuniger zu entschlüsseln.
Neutrinos, kosmische Boten
Neutrinos sind Elementarteilchen, die das Universum fast ohne Wechselwirkung mit Materie durchqueren. Ihre Masse ist so gering, dass sie lange Zeit als null betrachtet wurde, und sie bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Im Gegensatz zu elektrisch geladener kosmischer Strahlung, die durch galaktische Magnetfelder abgelenkt wird, reisen Neutrinos auf gerader Linie von ihrer Quelle aus, was sie zu idealen Boten macht, um kosmische Beschleuniger zu lokalisieren.
Diese Teilchen werden in Kernreaktionen und radioaktiven Zerfallsprozessen erzeugt, die im Inneren von Sternen, bei Supernova-Explosionen oder in extremen Umgebungen um Schwarze Löcher herum stattfinden. Ihr Nachweis auf der Erde erfordert besonders empfindliche Instrumente, wie das im antarktischen Eis vergrabene Observatorium IceCube, das in der Lage ist, die sehr seltenen Wechselwirkungen von Neutrinos mit Materie zu erfassen.
Die Beziehung zwischen Neutrinos und kosmischer Strahlung ist für Astrophysiker besonders interessant. Wenn Protonen oder Atomkerne auf hohe Energie beschleunigt werden und mit umgebender Materie oder Strahlung kollidieren, produzieren sie unter anderem Neutrinos. Der gleichzeitige Nachweis von Neutrinos und kosmischer Strahlung aus derselben Himmelsrichtung ermöglicht daher die genaue Identifizierung aktiver kosmischer Quellen.
Die Erforschung kosmischer Neutrinos eröffnet ein neues Beobachtungsfenster zum Universum, das traditionelle elektromagnetische Beobachtungen ergänzt. Durch die Verfolgung dieser schwer fassbaren Teilchen können Wissenschaftler kosmische Regionen erforschen, die sonst unzugänglich wären, wie das Innere von Sternen oder die unmittelbare Umgebung Schwarzer Löcher, und uns so ein vollständigeres Bild der energetischen Prozesse bieten, die den Kosmos antreiben.
Quelle: The Astrophysical Journal