Einem Teilchenbeschleuniger im All auf der Spur

Woher stammt die hochenergetische kosmische Strahlung? Auf diese Fragen haben Forscher jetzt eine Antwort gefunden und damit eine lange gehegte Vermutung von Astronomen bestätigt. Die Strahlung stammt offenbar von natürlichen Teilchenbeschleunigern in der Umgebung von Überresten explodierter Sterne, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Auf unsere Erde prasseln ständig Teilchen – hauptsächlich Protonen, aber auch schwerere Atomkerne – aus dem All ein. Die meisten von ihnen haben eine relativ geringe Energie von einigen Gigaelektronenvolt oder weniger. Zu großen Teilen stammen sie von Eruptionen auf der Oberfläche der Sonne. Doch es gibt auch Teilchen mit Energien im Bereich um ein Petaelektronenvolt – das entspricht einer um ein Millionenfaches höheren Energie.

Seit langem vermuten Astronomen, dass es natürliche Teilchenbeschleuniger im All geben müsse. Dort lösen etwa Supernovaexplosionen starke Stoßwellen aus, die dann elektrisch geladene Teilchen auf hohe Energien beschleunigen. Aufgrund der enormen Energien um ein Petaelektronenvolt – kurz PeV – heißen solche Teilchenbeschleuniger auch PeVatrons. Doch bislang war es nicht gelungen, sie aufzuspüren. Das Problem: Geladene Teilchen wie die Protonen der kosmischen Strahlungen bewegen sich nicht geradlinig durch das Weltall, denn starke Magnetfelder lenken diese Teilchen ab. Dadurch lässt sich nicht einfach von der Richtung, aus der sie kommen, auf den Herkunftsort der Teilchen rückschließen.

Astronomen müssen daher auf indirekte Weise nach PeVatrons suchen: Sie fahnden nach hochenergetischer Gammastrahlung, die entsteht, wenn kosmische Strahlung mit interstellarem Gas, also dem Gas zwischen Sternen, wechselwirkt. Allerdings ist dieser Zusammenhang nicht eindeutig: Auch wenn die kosmische Hintergrundstrahlung – das Strahlungsecho des Urknalls – an Elektronen im Weltall gestreut wird, kann derartige Gammastrahlung entstehen.

Ke Fang von der University of Wisconsin und ihre Kollegen haben nun Daten analysiert, die das Satellitenobservatorium Fermi und andere Teleskope zwölf Jahre lang von G106.3+2.7, dem 2600 Lichtjahre entfernten Überrest einer Supernova, gesammelt haben. Während Fermi auf Gammastrahlung spezialisiert ist, lieferten die anderen Observatorien zusätzliche Daten zur Röntgenstrahlung und Radiowellen, die von demselben beobachteten Objekt ausgehen.

Wie die Untersuchung der Forscher zeigt, passt die Energieverteilung der Strahlung von dem Supernovaüberrest über diesen weiten Bereich von Radiowellen bis zur Gammastrahlung sehr gut zu einem PeVatron – aber nicht zum alternativen Szenario der Streuung von Hintergrundstrahlung. G106.3+2.7 scheint nach Ansicht von Fang und ihren Kollegen daher eine der wichtigsten Quellen hochenergetischer kosmischer Teilchen zu sein. Nun hoffen die Forscher, mit ihrer Methode noch weitere kosmische Teilchenbeschleuniger aufzuspüren.