In der Einfallsrichtung der hochenergetischen kosmischen Strahlung wurde eine Inhomogenität festgestellt. Damit ist ein wichtiger Schritt zur Klärung der Frage nach ihrer Herkunft getan. Die Autoren der Entdeckung, eine Zusammenarbeit des Pierre Auger Cosmic Ray Observatory, zu dem 400 Spezialisten aus 16 Ländern gehören, kamen zu dem Schluss, dass die Strahlen außerhalb der Milchstraße geboren werden. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Kosmische Strahlung sind die Atomkerne, die sich durch den Raum bewegen und die höchsten in der Natur vorkommenden Energien aufweisen. Die Energien einiger Teilchen sind viel höher als mit modernen Beschleunigern erreichbar - sie reichen von 109 bis 1020 Elektronenvolt.
Die Existenz der kosmischen Strahlung wurde vor 50 Jahren bekannt, aber die Mechanismen, die zu ihrem Auftreten führen, sind noch unbekannt. Um das herauszufinden, versuchten Astronomen, die Richtungen zu bestimmen, aus denen Teilchen zur Erde kommen.
Kosmische Strahlung mit Energien von mehr als 1018 Elektronenvolt erreicht nur sehr selten die Oberfläche unseres Planeten. Die Flussdichte beträgt ungefähr ein Teilchen pro Quadratkilometer pro Jahr, was einem Strahl entspricht, der jedes Jahrhundert auf ein Fußballfeld fällt. Wenn ein kosmischer Strahl die Erdatmosphäre erreicht, wird die darin enthaltene Energie in wenigen Millionstelsekunden zerstreut.
Hochenergetische Teilchen können jedoch durch ausgedehnte Luftschauer eingefangen werden. Dies ist eine Kaskadenreaktion, die während der Kollision einer kosmischen Strahlung mit der Gashülle unseres Planeten auftritt. Primärteilchen aus dem Weltraum interagieren mit Luft, wodurch Ströme von Hadronen und Sekundärteilchen geboren werden.
Ausgedehnte Luftschauer breiten sich mit Lichtgeschwindigkeiten in der Atmosphäre aus, die die Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern annehmen. Sie enthalten normalerweise über 10 Milliarden Partikel.
Die Autoren der neuen Arbeit führten Beobachtungen am Pierre Auger Cosmic Ray Observatory in Argentinien durch. Astrophysiker haben das Cherenkov-Glühen (den Vavilov-Cherenkov-Effekt) registriert, das durch ein geladenes Teilchen in einem transparenten Medium verursacht wird.
Nach der Relativitätstheorie kann sich kein materieller Körper, auch keine schnellen Elementarteilchen hoher Energie, mit einer Geschwindigkeit bewegen, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum übersteigt. In transparenten Medien bewegt sich Licht jedoch mit geringerer Geschwindigkeit: In Glas oder Wasser beispielsweise bewegt es sich mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 70 Prozent der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. In diesem Fall hindert nichts ein schnelles Teilchen (zum Beispiel ein Proton oder ein Elektron) daran, sich in diesem Medium schneller als Licht zu bewegen - dies führt zum Cherenkov-Glühen. Durch Messung kann man die Energie der Teilchen herausfinden.
Die Detektoren des Observatoriums sind Becken mit 12 Tonnen Wasser. Zusammen bilden sie ein Gitter aus 1.600 Objekten, das eine Fläche von etwa dreitausend Quadratkilometern umfasst. Darüber hinaus verfügt das Observatorium über Instrumente, die das fluoreszierende Leuchten von atmosphärischem Stickstoff registrieren, das bei einem Schauer erscheint. Wenn die Luftschauerteilchen die Erde erreichen, nehmen die Detektoren die Signale nicht zeitgleich auf, wodurch ihre Herkunft mit einer Genauigkeit von einem Grad bestimmt werden kann.
Die Forscher untersuchten etwa 30.000 kosmische Strahlen mit Energien über 8 × 1018 Elektronenvolt und fanden Anisotropie in den Richtungen, aus denen sie kamen. Das bedeutet, dass hochenergetische Teilchen nicht gleichmäßig aus allen Richtungen kommen: Es gibt einen Bereich, aus dem hochenergetische Strahlen etwa 6 Prozent häufiger eintreffen.
Eine galaktische Himmelskarte, die die Flussdichte hochenergetischer kosmischer Strahlung zeigt. Das Kreuz zeigt die Richtung zur Mitte des roten Flecks, zwei Kreise zeigen die 68% und 95% Konfidenzintervalle. Die Pfeile zeigen die zu erwartende Ablenkung für Strahlen mit unterschiedlichen Energien.
Die statistische Signifikanz der Entdeckung betrug 5,2 Sigma (2 von 10 Millionen Fehlerwahrscheinlichkeit). Die Berechnungen der Forscher zeigten, dass die kosmische Strahlung aus einem Abschnitt des Universums außerhalb der Milchstraße stammt – der maximale Fluss liegt 120 Grad von seinem Zentrum entfernt, wo die Dichte der Galaxien relativ hoch ist. Trotz der Tatsache, dass die Analyse direkt auf die extragalaktische Natur der Partikel hinweist, können die Forscher ihre Quelle nicht genau bestimmen.
Das liegt zum einen daran, dass die kosmische Strahlung in den Magnetfeldern der Milchstraße und des intergalaktischen Raums gebrochen wird. Der Brechungswinkel kann bis zu mehreren zehn Grad betragen, und wenn wir das Magnetfeld unserer Galaxie kennen, könnten wir die wahre Ankunftsrichtung der Strahlen wiederherstellen. Aktuelle Modelle der Milchstraße sind jedoch unvollkommen und erlauben uns dies nicht.
Trotzdem betonen die Autoren des Artikels die Bedeutung der Entdeckung. „Wir sind der Lösung eines für Astrophysiker wichtigen Rätsels, wo und wie diese ungewöhnlichen Teilchen geboren werden, einen Schritt näher gekommen“, sagt Professor Karl-Hines Kampert, Sprecher der Kollaboration des Pierre Auger Cosmic Ray Observatory.
Es ist erwähnenswert, dass die Wissenschaftler Strahlen mit hoher kinetischer Energie nachweisen konnten, die im Magnetfeld weniger abgelenkt werden und die Quelle genauer anzeigen können. Sie sind jedoch noch seltener, sodass genauere Ergebnisse nicht bald präsentiert werden - zum Vergleich dauerte das aktuelle Experiment 12 Jahre.
