Am chinesischen Observatorium LHAASO wurden 530 Photonen mit Energien zwischen 0,1 und 1,4 Petaelektronenvolt aus 12 Quellen innerhalb der Milchstraße aufgezeichnet. Eine davon stellte sich als der Krebsnebel heraus, die genaue Lage und Beschaffenheit der anderen 11 Quellen konnte nicht bestimmt werden. Solche Beobachtungen bestätigen die Existenz von galaktischen Pevatrons - kosmischen Beschleunigern in unserer Galaxie, die Teilchen auf Energien in der Größenordnung von Petaelektronenvolt beschleunigen. Ihre Untersuchung wird es ermöglichen zu verstehen, was solche Objekte sind und welche physikalischen Prozesse ihnen zugrunde liegen. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Physiker wissen seit mehr als hundert Jahren von der Existenz kosmischer Strahlung - hochenergetischer Teilchen, deren Quellen außerirdische Objekte sind. Die Energie solcher Teilchen erreicht enorme Werte (bis zu 1021 Elektronenvolt - hundert Millionen Mal mehr als die Energie von Teilchen im LHC-Ring), aber Wissenschaftler können noch nicht mit Sicherheit sagen, welche Weltraumobjekte zu einer solchen Beschleunigung führen können. Kandidaten für solche Beschleuniger sind Regionen der Sternentstehung, Pulsare, Supernova-Überreste und massereiche Schwarze Löcher, aber bisher war es nicht möglich, bestimmte kosmische Objekte und ultrahochenergetische kosmische Strahlung eindeutig zu verbinden.
Von besonderem Interesse sind kosmische Strahlen mit Energien in der Größenordnung von Petaelektronenvolt: An dieser Stelle des Energiespektrums der kosmischen Strahlung befindet sich ein sogenanntes "Knie" - ein Bruch in der Kurve dieses Spektrums. Wissenschaftler assoziieren einen solchen Bruch mit der unterschiedlichen Natur der kosmischen Strahlung mit niedrigeren und höheren Energiewerten. Teilchen mit Energien in der Größenordnung von Petaelektronenvolt kommen von Weltraumbeschleunigern in der Milchstraße auf die Erde. Genau die hypothetischen Quellen solcher Teilchen werden Pevatrons genannt. Kosmische Strahlung mit viel höheren Energien wiederum kann uns und von anderen Galaxien erreichen, weshalb ihr Fluss sinkt.
Trotzdem war es bis vor kurzem nicht möglich, Pevatrons in unserer Galaxie zu entdecken. Die Quelle kosmischer Protonen mit Energien bis zu 0,04 Peta-Elektronenvolt wurde als galaktisches Zentrum bezeichnet, insbesondere als supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße. Die Bestimmung der Quellen geladener Teilchen wird jedoch dadurch erschwert, dass diese im Laufe ihrer Bewegung aufgrund starker Magnetfelder im Weltraum und um ihre Quellen von der ursprünglichen Flugbahn abweichen. Dabei helfen den Physikern hochenergetische Photonen, die bei der Wechselwirkung von beschleunigten Protonen und anderen geladenen Teilchen mit der Weltraumumgebung entstehen sollen. Solche Gammaquanten werden im Gegensatz zu geladenen Teilchen nicht von einem Magnetfeld abgelenkt, sodass sich aus ihrer Bewegungsrichtung die Position ihrer Quelle bestimmen lässt. Physiker haben bereits solche Gammastrahlung mit Energien etwas über 0,1 Peta-Elektronenvolt aufgezeichnet, aber die Untersuchung von Pevatronen erfordert eine stabile Registrierung von Photonen mit deutlich höheren Energien.
Nun präsentierte Zhen Cao zusammen mit seinen Kollegen die Ergebnisse von Messungen am LHAASO-Observatorium: Wissenschaftlern gelang es, 530 Photonen mit Energien von 0,1 bis 1,4 Petaelektronenvolt aus 12 Quellen innerhalb der Milchstraße zu registrieren. Das Observatorium selbst wurde im April 2019 in Betrieb genommen und ist für die supersensible Registrierung von kosmischer Strahlung und hochenergetischer Gammastrahlung ausgelegt. Es befindet sich auf 4410 Metern Höhe in der chinesischen Provinz Sichuan und umfasst einen ganzen Komplex verschiedener Detektoren, die die Produkte der Wechselwirkung von kosmischen Teilchen und der Erdatmosphäre - Luftschauer - registrieren sollen. Die Installationsfläche erreicht 1 Quadratkilometer, auf denen sich gleichmäßig 5195 Szintillationszähler und 1188 Myonendetektoren befinden und in deren Mitte sich 3 Wasser-Cherenkov-Detektoren mit einer Gesamtfläche von 78.000 Quadratmetern und 18 Cherenkov-Detektoren mit einer Breite befinden Sichtfeld. Ein solches Detektorsystem ermöglicht eine gute Winkelauflösung von einem Drittel des Winkels und eine Energieauflösung von 20 Prozent bei einer Energie registrierter Teilchen von 0,1 Petaelektronenvolt.
Schema des LHAASO-Observatoriums. Rote Punkte sind Szintillationszähler, blaue Punkte sind Myonendetektoren, blaue Rechtecke sind Wasser-Cherenkov-Detektoren, schwarze Rechtecke sind Cherenkov-Detektoren mit weitem Sichtfeld.
Die statistische Genauigkeit der Tatsache, dass jedes der 12 detektierten Objekte eine Quelle von Gammaquanten mit einer Energie von mehr als 0,1 Petaelektronenvolt ist, stellte sich als mehr als 7σ heraus. Die maximale Energie der Gammaquanten von 1,42 ± 0,13 Petaelektronenvolt wurde nur für eine der Quellen aufgezeichnet, für die übrigen Objekte liegt dieser Wert zwischen 0,2 und 0,9 Petaelektronenvolt. Es stellte sich heraus, dass eine der Quellen der Krebsnebel war – der Überrest einer Supernova-Explosion vor tausend Jahren. Für das LHAASO-Observatorium ist dieser Nebel als Punkt am Sternenhimmel sichtbar, der sich nicht mit ähnlichen Objekten im Weltraum überschneidet. Dank dessen konnten Wissenschaftler es getrost als Quelle der registrierten ultrahochenergetischen Gammaquanten bezeichnen, also tatsächlich als Pevatron erkennen.
Die Position der erkannten Quellen am Sternenhimmel.
Für die restlichen 11 Objekte haben sich die Autoren des Werkes nicht die Aufgabe gestellt, deren Beschaffenheit zu bestimmen. Dennoch deutet die Lage der entdeckten Quellen darauf hin, dass es sich um hochenergetische Protonen- und Elektronenbeschleuniger handeln könnte, die Physikern bereits bekannt sind: Pulsare, Plerionen, Supernova-Überreste und Haufen junger massereicher Sterne. Insbesondere könnte sich eine dieser Quellen in der Sternentstehungsregion "Schwanenkokon" befinden, aus der bereits ultrahochenergetische Gammaquanten auf die Erde gelangt sind. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler die Energiespektren der nachgewiesenen Quellen gemessen, was auch bei der Untersuchung der Mechanismen der Pevatrons helfen wird. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen bereits die Häufigkeit von Pevatronen innerhalb der Milchstraße, unabhängig von ihrer Natur. Zukünftig wird der Schwellenstrahlungsfluss, den das LHAASO-Observatorium benötigt, um eine Quelle ultrahochenergetischer Gammaquanten zu registrieren, um mindestens eine Größenordnung reduziert. Dies bedeutet, dass die Zahl der entdeckten Pevatrons schnell ansteigen wird, und ihre Beobachtungen werden es Physikern ermöglichen, die Natur solcher Beschleuniger für kosmische Strahlung zu verstehen.
Energiespektren von Strahlung aus drei Quellen und Winkelverteilungen ihrer Intensität.
Die Suche nach Pevatronen ist nicht nur durch die Registrierung ultrahochenergetischer Gammaquanten möglich: Auch astrophysikalische Neutrinos können Physiker bei dieser Aufgabe unterstützen. Wie und warum diese leichtesten Teilchen mit Neutrino-Teleskopen registriert werden, lesen Sie in unserem Material "Who Shot".
