Auf der Spur des himmlischen Ursprungs von extrem energiereicher kosmischer Strahlung
Ultrahochenergetische kosmische Strahlen(öffnet in neuem Fenster) (UHECR) sind die energiereichsten jemals gemessenen Teilchen. Laut Ioana Maris(öffnet in neuem Fenster) von der Freien Universität Brüssel(öffnet in neuem Fenster) sind diese Energien etwa eine Million Mal energiereicher als die Teilchen, die im größten Hadron-Speicherring des CERN erzeugt werden, und durch Menschen gebaute Teilchenbeschleuniger unerreichbar. Sie merkt an: „Es wurde berechnet, dass nur vier Teilchen eine 60-W-Glühbirne eine Sekunde lang zum Leuchten bringen können.“ „UHECR kündigen von einem der gewaltigsten Phänomene in unserem Universum und bieten eine einzigartige Gelegenheit zur Erforschung der fundamentalen Teilchenphysik. Doch obwohl wir jetzt wissen, dass sie extragalaktisch sind, wissen wir noch immer nicht genau, wo sie entstanden sind oder wie eine Galaxie sie beschleunigt“, sagt Maris, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts GADGET, das diesen Fragen nachgehen soll. Aufgrund der galaktischen und extragalaktischen Magnetfelder im gesamten Universum bewegen sich die UHECR als geladene Teilchen nicht auf einer geraden Bahn. Für die Berechnung ihrer Flugbahn ist daher eine genaue Kenntnis über diese Magnetfelder erforderlich. Die Arbeit von GADGET konzentrierte sich auf die Verbesserung der Magnetfeldmodellierung, die Einführung neuer Messmethoden und das Verständnis der Auswirkungen lokaler Phänomene, die sich als entscheidend für die Genauigkeit der Modellierung erwiesen.
Eine 3D-Beschreibung des Magnetfelds erstellen
Vor GADGET hatten Projektmitarbeiter Michael Unger(öffnet in neuem Fenster) und seine Kolleginnen und Kollegen 3D-Magnetfeldmodelle auf der Grundlage zweier Messreihen erstellt: der Synchrotronstrahlung(öffnet in neuem Fenster) und des Faraday-Effekts(öffnet in neuem Fenster). Von den Elektronen der Milchstraße wird diffuse (elektromagnetische) Synchrotronstrahlung ausgesandt, die sich proportional zu der durch das Magnetfeld erzeugten Krümmung spiralförmig um Magnetfelder mit Radiowellenlängen und -geschwindigkeiten bewegen. Die Faraday-Drehung der Lichtpolarisation bestimmt sich hingegen nach der Stärke des Magnetfelds von weit entfernten Quellen wie Pulsaren. Der Beitrag von GADGET bestand darin, Erkenntnisse über die Auswirkungen des lokalen Universums miteinzubeziehen. „Wir leben in einer lokalen Leere, die als ‚Lokale Blase‘ bezeichnet wird, in der die uns umgebende Materie eine etwa 20-mal geringere Dichte als das interstellare Medium aufweist, was wahrscheinlich auf mehrere Supernova-Explosionen zurückzuführen ist, die die Materie herausgeschleudert und die Magnetfelder beeinflusst haben“, erklärt Maris. Auf der Grundlage von Staubdichtekarten entwickelte Marie-Skłodowska-Curie-(öffnet in neuem Fenster) Stipendiat Vincent Pelgrims(öffnet in neuem Fenster) ein Modell, das erklärt, wie diese gewaltigen Supernova-Explosionen das Magnetfeld beeinflussen, so dass er die Form der Lokalen Blase ableiten und das Magnetfeld des lokalen Universums modellieren konnte. Die Kombination mit Michaels Arbeit liefert somit wertvolle Erkenntnisse über die Form des galaktischen Magnetfelds. „Die Einbeziehung der Ergebnisse von GADGET veränderte die Interpretation der Synchrotronstrahlung, insbesondere bei großen Breitengraden, und verdeutlicht, wie wichtig es ist, die Lokale Blase bei der Modellierung der galaktischen Magnetfelder zu berücksichtigen“, erklärt Maris.
Den Ursprung zurückverfolgen
Eine zentrale Herausforderung bei der Erforschung von UHECR ist ihre Seltenheit: Pro Quadratkilometer und Jahrhundert erreicht lediglich ein Teilchen die Erde – das sind etwa 10.000 Teilchen täglich. Obwohl es unmöglich ist, einen Detektor von der Größe der Erde zu bauen, zeichnet der größte Detektor, das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien, seit 2004 Daten auf, sodass Forschende über 100 Teilchen mit höchsten Energien messen konnten. Die Zusammenarbeit des Teams mit dem Observatorium, das kürzlich mit zusätzlichen Detektoren für eine noch höhere Empfindlichkeit und Präzision aufgerüstet wurde, birgt die realistische Aussicht darauf, den Ursprung der UHECR aufzuspüren. Erste Ergebnisse wurden jüngst auf einer Reihe von Konferenzen vorgestellt. „Das Backtracking oder Zurückverfolgen des Ursprungs von UHECR wäre ohne die Berücksichtigung des Einflusses von Magnetfeldern nicht möglich“, so Maris. „Wir haben Hinweise darauf gefunden, dass UHECR in Starburst-Galaxien mit sehr hohen Sternentstehungsraten oder in der Zentaurus-Region entstehen könnten. Ich bin sehr gespannt darauf, ob wir das Geheimnis dieser rätselhaften hochenergetischen Teilchen schon bald lüften können.“