Geheimnisvolle kosmische Strahlung mit ultrahoher Energie gibt Astronomen Rätsel auf – Physics World

Ein Teilchen kosmischer Strahlung mit einer Energie, die etwa 36 Millionen Mal größer ist als die der vom Large Hadron Collider des CERN beschleunigten Teilchen, wurde entdeckt. Mit 244 EeV ist dies eines der energiereichsten Teilchen, die jemals beobachtet wurden, und wurde 2021 vom Telescope Array in Utah entdeckt. Während die ultrahochenergetische kosmische Strahlung (UHECR) wahrscheinlich durch einen heftigen astrophysikalischen Prozess entstanden ist, konnten Forscher sie nicht auf ihren Ursprung zurückführen.

Die Forscher haben das Teilchen Amaterasu getauft, das in der japanischen Mythologie die Sonnengöttin ist. Der aktuelle Energierekord für ein UHECR liegt bei 320 EeV und wird vom „Oh-My-God“-Teilchen gehalten, das 1991 in Utah von einem Vorgänger des Telescope Array entdeckt wurde.

UHECRs sind subatomare Teilchen wie Protonen, die Energien von mehr als 1 EeV (10) haben¹⁸ e.V.). Sie scheinen zwar von außerhalb der Milchstraße zu stammen, ihre Herkunft ist jedoch aufgrund der Seltenheit, sie auf der Erde zu beobachten, noch immer kaum geklärt.

Kosmische Grenze

Bei der Suche nach den Ursprüngen von UHECRs profitieren Astronomen von einem Phänomen namens Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) Cut-off. Dies liegt daran, dass UHECRs mit Energien über etwa 60 EeV auf ihrer Reise durch den Weltraum mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund interagieren und dabei Energie verlieren. Dies bedeutet, dass Teilchen bei diesen höheren Energien nicht weiter als etwa 300 Millionen Lichtjahre zurückgelegt haben können, bevor sie die Erde erreicht haben.

Trotz dieser Unterbrechung ist die internationales Team, das Amaterasu entdeckte ist nicht klüger über die Herkunft des Teilchens, heißt es Toshihiro Fujii von der japanischen Osaka Metropolitan University – der als erster Hinweise auf das UHECR in den Telescope Array-Daten bemerkte.

„Wir haben dieses neue Rätsel entdeckt“, sagte er und wies darauf hin, dass das Teilchen mit keinem bekannten astrophysikalischen Objekt korreliert. Schreiben im Tagebuch Wissenschaft, Das Team schlägt mehrere mögliche Ursprünge für Amaterasu vor.

Dunkelheit und Licht

Wenn man innerhalb des GZK-Grenzbereichs schaut und davon ausgeht, dass das Teilchen durch das Magnetfeld der Milchstraße abgelenkt wurde, ist ein möglicher Ursprung die Galaxie NGC 6946. Sie ist etwa 25 Millionen Lichtjahre entfernt und für ihre erstaunliche Sternentstehung und zahlreiche Supernovae bekannt. Allerdings haben Astronomen weder Gammastrahlen noch Röntgenstrahlen aus der Galaxie beobachtet. Die Beobachtung dieser Strahlung würde auf die Anwesenheit eines astrophysikalischen Objekts hinweisen, das UHECRs beschleunigen kann. Amaterasu konnte auch auf die lokale Leere zurückgeführt werden, eine nahegelegene Region mit einer ungewöhnlich geringen Galaxiendichte. Aber auch hier gibt es kein Objekt, das als Quelle identifiziert werden könnte.

Dem Team zufolge besteht eine weitere Möglichkeit darin, dass unser unvollständiges Verständnis der Teilchenphysik über das Standardmodell hinaus bedeuten könnte, dass Amaterasu weiter gereist ist, als es der GZK-Grenzwert zulässt. Wenn dies der Fall ist, könnte es sein, dass der Ursprung des UHECR so weit entfernt liegt, dass wir seine elektromagnetischen Emissionen nicht nachweisen können.

Laut Fujii ist die exotischste mögliche Quelle von Amaterasu ein „dunkler Beschleuniger“ – ein hypothetisches Objekt, das UHECRs, aber keine andere Strahlung aussendet.

Trotz der Entdeckung und Spekulationen, Rafael Alves Batista, ein Astrophysiker an der Autonomen Universität Madrid, sagte Physik-Welt dass die Beobachtung „nichts Neues“ über UHECRs verrät.

„Ich bin ein Konservativer in dem Sinne, dass ich mich auf keine Erklärung stürzen würde, die über das Standardmodell hinausgeht“, sagt er. „Wir haben astrophysikalische Objekte, die tatsächlich diese hochenergetische kosmische Strahlung erzeugen können. Wir wissen einfach nicht, wie das passiert, wo diese Objekte sind oder welche Objekte das tun.“

Er weist auch darauf hin, dass Astronomen ein sehr schlechtes Verständnis der Magnetfelder außerhalb der Milchstraße haben, was eine Rückverfolgung sehr schwierig macht.

Völlige Unsicherheit

„In unserer Galaxie kennen wir das galaktische Magnetfeld nicht wirklich, aber wir wissen zumindest, dass es innerhalb bestimmter Grenzen liegt. Aber für zusätzliche galaktische Magnetfelder ist es völlig ungewiss“, sagte Batista.

Sowohl Fujii als auch Batista sind sich einig, dass weitere Beobachtungen dieser seltenen Ereignisse erforderlich sind, bevor wir beginnen können, die Ursprünge von UHECRs zu verstehen. Außerdem müssen wir unser Verständnis extragalaktischer Magnetfelder verbessern.

Einige dieser Beobachtungen werden sicherlich vom Telescope Array gemacht werden. Es ist der größte Detektor für kosmische Strahlung auf der Nordhalbkugel und wird derzeit um den Faktor vier größer als seine derzeitige Fläche erweitert.

Heutzutage werden Partikel wie Amaterasu etwa alle 15 Jahre entdeckt, aber Fujii sagt, dass Verbesserungen am Telescope Array diese Zahl auf einmal alle vier Jahre reduzieren könnten.

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/mysterious-ultrahigh-energy-cosmic-ray-puzzles-astronomers/