Kosmische Strahlung.
So heißen die geladenen Teilchen, die durch unsere Galaxie fliegen. Sie bewegen sich schnell. Schneller als alles, was Menschen auf der Erde gebaut haben. Der Large Hadron Collider ist beeindruckend. Diese Teilchen lachen darüber.
Meistens sind es Protonen. Ein paar Elektronen, sicher. Aber Protonen.
Jahrzehntelang wussten Astronomen, dass es eine Quelle geben musste. Ein kosmischer Beschleuniger. Ein „PeVatron“. Das Problem bestand darin, es zu beweisen. Man kann nicht einfach in den Himmel schauen und sagen: „Ja, das sind Protonen.“ Nicht ohne verwirrt zu werden.
Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Hiroshima hat es geschafft. Sie bestätigten, dass es sich bei einem Objekt namens LHAASO J1911+1014u tatsächlich um ein Protonen-PeVatron handelt. Das ist keine Vermutung. Es ist kein „Vielleicht“. Es ist die Protonenquelle mit der höchsten Energie, die wir bisher in der Milchstraße lokalisiert haben.
Warum das Protonenproblem wichtig ist
Hier ist die technische Hürde: Gammastrahlen.
Gammastrahlen sind energiereiches Licht. Sie entstehen, wenn kosmische Strahlung auf Dinge trifft. Normalerweise Gas. Manchmal Magnetfelder. Das Problem? Sowohl Protonen als auch Elektronen erzeugen Gammastrahlen.
Wenn Sie einen Gammastrahlenausbruch sehen, woher wissen Sie dann, welches Teilchen ihn verursacht hat?
Elektronen sind hinterhältig. Sie können Protonensignaturen nachahmen. Dies machte es lange Zeit nahezu unmöglich, ein „Protonen-PeVatron“ zu bestätigen. Ein PeVatron beschleunigt Protonen auf Energien über einem Petaelektronenvolt (eine Billiarde eV). Das ist riesig. Dies ist die Energieobergrenze für die Standard-Teilchenbeschleuniger unserer Galaxie.
„Die Suche nach einem Protonenbeschleuniger für kosmische Strahlung oberhalb dieses PeVeV-Niveaus … ist eines der aufregendsten Themen in der modernen Astrophysik“, sagte Tsunefumi Mizuno. Mizuno ist der Hauptautor und außerordentlicher Professor am Astrophysical Science Center in Hiroshima.
Wir hatten Kandidaten. Dutzende davon. Aber kein Beweis. Dort saß LHAASO J1991+1014a und glühte mit einer Energie von über 0,1 PeV. Aber ohne klare Unterscheidung zwischen Protonen- und Elektronenquellen blieb es ein Verdächtiger und kein Verurteilter.
Drei Pfeile, ein Ziel
Mizuno zitierte ein altes japanisches Sprichwort. „Ein Pfeil ist leicht zu zerbrechen. Drei zusammengebündelt eher nicht.“
Er wandte diese Logik an. Anstatt sich auf ein Instrument zu verlassen, bündelte das Team drei verschiedene Datensätze. Sie mussten Elektronen ausschließen und Protonen isolieren.
- Gammastrahlen aus dem Weltraum: Das Fermi Large Area Telescope der NASA hat Gammastrahlen um 1 GeV gemessen. Das sind eine Milliarde Elektronenvolt.
- Radiowellen vom Boden: Japans FOREST-Durchmusterung mit dem Nobeyama 45-m-Teleskop kartierte interstellares Gas.
- Röntgenstrahlen aus dem Weltraum: Das Chandra-Observatorium der NASA suchte nach schwachen Röntgenemissionen.
Die Ergebnisse? Sie schlossen Elektronen aus. Kalter Entzug.
The Smoking Gun: Gas, Gammastrahlen und Stille
Woher wussten sie, dass es keine Elektronen waren?
Hinweis 1: Die Energiespanne.
Die Gammastrahlungsemission hörte nicht auf. Sie erstreckte sich kontinuierlich von über 100 Billionen eV bis hinunter zu 400 Millionen eV. Der Physik zufolge sollte ein Elektronenbeschleuniger nicht die Kraft haben, diese Form aufrechtzuerhalten. Protonen könnten.
Hinweis 2: Die Gaskarte.
Fermi sah Gammastrahlen. FUGIN sah dichte Wolken aus interstellarem Gas. Die Karten passten perfekt zusammen. Hochenergetische Protonen prallen auf Gas. Gas trifft auf Gas. Gammastrahlen explodieren. Wenn es Elektronen wären, würde die Karte anders aussehen. Elektronen interagieren nicht auf die gleiche Weise mit Gas, um Gammastrahlen zu erzeugen. Sie interagieren mit Licht und Magnetfeldern. Der Zusammenhang war unbestreitbar.
Hinweis 3: Der Mangel an Lärm.
Das ist das Subtile. Wenn es eine Population hochenergetischer Elektronen gäbe, hätte Chandra starke diffuse Röntgenstrahlen gesehen. Elektronen drehen sich in Magnetfeldern und kreischen in Röntgenstrahlen. Chandra sah… fast nichts. Sehr schwache Emission. Stille, wo Lärm sein sollte.
„Drei Beweisstücke deuteten auf das Proton PeVatron hin“, sagte Mizuno.
Die Elektronen wurden ausgeschlossen. Die Gaskorrelation bestätigte die Protonen. Das Schweigen von Chandra besiegelte es.
LHAASO J11+101u: Wo und was
Das Objekt befindet sich in Aquila. In der Nähe von Altair. Das ist der helle Stern, der das Sommerdreieck vervollständigt. Wir alle kennen dieses Dreieck aus Julinächten.
Astronomen dachten zunächst, es handele sich um einen Supernova-Überrest. Nur ein toter Stern, der seine Eingeweide wegbläst. Doch dann stellten sie Emissionen über 100 TeV (Billionen Elektronenvolt) fest. Das hat die Erzählung verändert.
Es ist nicht nur ein Überbleibsel. Es ist ein funktionierender Beschleuniger.
Die im The Astrophysical Journal veröffentlichte Studie verwendet das, was das Team „umfassende Multiwellenlängenmodellierung“ nennt. Das ist eine schicke Art zu sagen, dass sie die Quelle im Radio-, Röntgen- und Gammastrahlenlicht untersucht und die Daten dazu gebracht haben, einen Sinn zu ergeben. Nur eine Erklärung passte: Protonenbeschleunigung.
Jenseits der Einen Quelle
Das ist noch nicht alles.
Die Milchstraße ist voll davon. Dutzende anderer potenzieller Protonen-PeVatrons wurden von LHAASO gekennzeichnet. Jetzt haben wir eine Vorlage. Ein bestätigtes Beispiel. Eine Grundlinie.
„Wir planen nun, diese Kandidaten systematisch zu prüfen“, bemerkte Mizuno.
Wir bewegen uns vom Raten zum Verifizieren. Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, welche der anderen leuchtenden Klumpen in unserer Galaxie Protonen tatsächlich auf Geschwindigkeiten von Billiarden Elektronenvolt treiben.
Bis dahin wissen wir eines sicher. Der Weltraum beschleunigt Protonen schneller, als wir es uns jemals vorgestellt haben. Und jetzt können wir es endlich beweisen.
„Diese Forschung wird durch Teamarbeit erreicht“, sagte Mizuno. „Ein Pfeil ist leicht zu zerbrechen…“
Drei Pfeile. Gebündelt. Bestätigt.
