💥 Beobachtung eines erstaunlichen Verhaltens der energiereichsten kosmischen Strahlung

Die Auger-Kollaboration, die ein Observatorium für kosmische Strahlung mit einer Fläche von 3000 km² in den argentinischen Anden betreibt, verkündet die Beobachtung einer unerwarteten Struktur im Spektrum der kosmischen Strahlung ultrahoher Energie jenseits von 10¹⁸ Elektronenvolt.

Dieser als "Spann" oder "instep" bezeichnete Knick deutet darauf hin, dass die Häufigkeit der kosmischen Strahlung jenseits von 10 Exa-Elektronenvolt (EeV) stark abnimmt. Darüber hinaus beobachtet die Kollaboration, dass die Biegungen im Spektrum in allen Richtungen identisch auftreten, was darauf hindeuten würde, dass sie überall im Universum von denselben extragalaktischen Quellen emittiert werden.


Seit mehr als 20 Jahren untersucht die Auger-Kollaboration, an der mehrere Gruppen des CNRS für Kern- und Teilchenphysik beteiligt sind, die kosmische Strahlung – jene Teilchen aus dem Weltraum, die ständig unsere Atmosphäre bombardieren. Seit mehr als 20 Jahren fängt das über 3000 km² verteilte Netzwerk von Tscherenkow-Detektoren kosmische Strahlung ultrahoher Energie (UHECR) ein, mit dem Ziel, eines Tages zu verstehen, woher diese kosmischen Boten stammen und welche himmlischen Giganten sie zu uns senden.

Die Studie, die die Kollaboration am 9. Dezember in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht hat, löst zwar noch nicht das Rätsel um die Quelle der UHECR, stellt jedoch einen wichtigen Schritt zum Verständnis dieses Phänomens dar, indem sie deren Häufigkeit und Verteilung genauer charakterisiert.

UHECR bestehen aus Materieteilchen, wie Protonen oder Atomkernen, die auf Energien beschleunigt werden, die selbst den LHC des CERN neidisch machen könnten. Ihr rasender Ritt durch den Kosmos endet, wenn sie in der Erdatmosphäre einen Teilchenschauer erzeugen.

Wenn sich einer dieser Schauer über dem Nachthimmel der argentinischen Anden ausbreitet, wird ein Teil dieser Teilchen – Myonen, Elektronen und Photonen – von den Hunderten von Detektionsbecken und den vier Tscherenkow-Teleskopen der Auger-Kollaboration erfasst. Aus der Analyse dieser Schauer gewinnen Physikerinnen und Physiker entscheidende Informationen wie die Energie und Richtung der UHECR. Das in Physical Review Letters veröffentlichte Ergebnis basiert auf einer Zusammenstellung von 20 Jahren dieser geduldig gesammelten Daten.

Es bestätigt die Existenz eines Phänomens namens "instep" oder "Spann" im Spektrum der UHECR, also der Kurve, die die Häufigkeit der Ereignisse in Abhängigkeit von ihrer Energie beschreibt. Frühere Studien hatten bereits die Existenz dieses Knicks zwischen zwei seit Langem bekannten Knicken – dem Knöchel (ankle) und der Zehe (toe) – erahnen lassen; seine Existenz im UHECR-Spektrum steht nun außer Frage. Dieser "Spann" spiegelt einen markanten Rückgang der Häufigkeit von UHECR jenseits von 10 Exa-Elektronenvolt wider, einer Energie, bei der der Großteil des Flusses der kosmischen Strahlung aus schwereren Kernen als Wasserstoff bestehen würde.

Doch die neue Analyse des Auger-Kollektivs beschränkt sich nicht darauf, die Existenz dieser Struktur zu bestätigen. Bisher wurden nur Teilchen berücksichtigt, die mit einem Zenitwinkel von weniger als 60° eintreffen, da die Rekonstruktion des Signals bei streifendem Einfall aufgrund der Auswirkungen des Erdmagnetfelds, das die Bahn geladener Teilchen verändert, komplexer wird. Diesmal hat das Team dank der Entwicklung von Kalibrierungsmethoden, die die Rekonstruktion der Ereignisse unter Berücksichtigung des Magnetfeldeinflusses ermöglichen, seine Studie auf bis zu 80° ausgedehnt und kann so etwa 75 % des gesamten Himmels abdecken. Diese massive Erweiterung des beobachteten Bereichs bietet ein viel vollständigeres und statistisch robusteres Panorama.

Das Ergebnis ist eindeutig: Der von der Kollaboration entdeckte "instep" erscheint überall, unabhängig von der beobachteten Himmelsregion. Dieser gleichförmige Charakter legt nahe, dass diese Struktur nicht von einer isolierten Quelle oder einem lokalen Phänomen stammt, sondern eher von einer Vielzahl extragalaktischer kosmischer Beschleuniger, die nach ähnlichen physikalischen Prozessen funktionieren. Mit anderen Worten: Die energiereichsten Teilchen, die unsere Atmosphäre erreichen, scheinen in verschiedenen Objekten weit jenseits der Milchstraße erzeugt zu werden, wahrscheinlich in extremen astrophysikalischen Umgebungen.

Die von Auger identifizierte Homogenität stellt eine wertvolle neue Einschränkung für die theoretischen Modelle dar, die erklären sollen, wie diese Teilchen auf solche Energien beschleunigt werden können. Diese theoretischen Bemühungen könnten bald vom Datenfluss eines Observatoriums profitieren, dessen Leistung durch AugerPrime verbessert wurde und das in Kürze einsatzbereit sein wird.