Weit, weit weg, etwas – irgendwo – erzeugt Teilchen mit verrückten Energiemengen. Was auch immer sie sind oder woher auch immer sie kommen, diese Partikel können zwischen 1018 eV und 1020 eV liegen. Angesichts der Tatsache, dass die höchste Teilchenenergie am Large Hadron Collider des CERN etwa 1013 eV beträgt, sind einige dieser Teilchen eine Million Mal energiereicher als alles, was wir am leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt finden können. Ganz einfach, sie sind die energiereichsten Teilchen, die jemals in der Natur gesehen wurden.Diese Teilchen, die als ultrahochenergetische kosmische Strahlung (UHECRs) bekannt sind, wurden 1962 entdeckt. Sie sind die superenergetischen Brüder der kosmischen Strahlung, die der österreichische Wissenschaftler Victor Hess 50 Jahre zuvor während einer berühmten Reihe waghalsiger Heißluftballonflüge entdeckt hatte. Aber während wir viel über regelmäßige kosmische Strahlung wissen, woraus UHECRs bestehen, woher sie im Himmel kommen und was sie beschleunigt, bleibt ein Rätsel.

Glücklicherweise regnen gelegentlich einige UHECRs auf den Planeten Erde. Wenn ein solcher Strahl in die Atmosphäre eintritt, kollidiert er mit Luftmolekülen, die wiederum in andere Partikel zerfallen, was zu einem Kaskadeneffekt bis zum Boden führt. Das Ergebnis ist ein Partikelschauer, der sich über eine 5 km breite Fläche an der Erdoberfläche ausbreitet. Und dank des Pierre-Auger-Observatoriums in Argentinien und des Telescope Array in Utah können wir diese Schauer erkennen und Informationen über die kosmische Strahlung selbst extrahieren.

Beide Einrichtungen bestehen aus einer Reihe von Oberflächendetektoren – im Fall von Auger 1660 große Fässer mit jeweils über 12.000 Litern Wasser auf 3000 km2. Wenn ein Teilchen aus einer Dusche in einen Detektor fliegt, erzeugt es eine elektromagnetische Schockwelle, die von Lichtdetektionsröhren aufgenommen wird, die an den Tanks des Detektors angebracht sind. Die Forscher können diese Informationen dann mit Daten von 27 Teleskopen kombinieren, die über das gesamte Array verteilt sind und das Fluoreszenzlicht sammeln, das entsteht, wenn die Kaskade Stickstoff in der Luft anregt.

Diese kombinierte Technik liefert ein genaues Maß für den Fluss, die Ankunftsrichtung und die Energie der UHECRs. Und letztes Jahr haben die Forscher von Pierre Auger als Ergebnis dieser Arbeit eindeutig gezeigt, dass die stärksten kosmischen Strahlen von außerhalb der Milchstraße und nicht von innerhalb unserer Galaxie kommen (Science 357 1266). Wenn man bedenkt, dass wir seit über einem Jahrhundert über kosmische Strahlung Bescheid wissen, mag dieser Durchbruch überwältigend und etwas überfällig erscheinen. In Wirklichkeit spiegelt es jedoch die gigantische Herausforderung wider, vor der Forscher stehen. Kosmische Strahlen mit einer Energie über 1020 eV landen im Durchschnitt nur einmal pro Quadratkilometer und Jahrhundert auf der Erde.

Kosmische Strahlen mit einer Energie über 1020 eV landen im Durchschnitt nur einmal pro Quadratkilometer und Jahrhundert auf der Erde

Woraus bestehen UHECRs?

Über Jahrzehnte gesammelte Daten belegen, dass niederenergetische kosmische Strahlung – meist Protonen, Kerne und Elektronen – aus allen Himmelsrichtungen zu kommen scheint. Wissenschaftler führen diese Ausbreitung darauf zurück, dass die Strahlen durch die Magnetfelder, die unsere Galaxie durchdringen, in alle Richtungen abgelenkt werden, was jede Hoffnung ausschließt, sich jemals direkt auf ihre Quelle zu konzentrieren. UHECRs sind eine andere Sache. Sie durchdringen galaktische Magnetfelder so gut, dass sie nur um wenige Grad abgelenkt werden. „Wir können sie als astronomische Boten nutzen, um die Quellen direkt zu finden“, erklärt Ralph Engel, Sprecher des Pierre-Auger-Observatoriums.

Während eines UHECR-Luftschauers werden durch den Kaskadeneffekt immer mehr Partikel mit einbezogen, wenn die Duschsensen durch die Atmosphäre strömen. Jede Wechselwirkung verliert jedoch Energie, was bedeutet, dass die Anzahl der Duschpartikel abnimmt und nur ein kleiner Teil den Boden erreicht. Aber indem sie wissen, wie sich der Luftschauer in der Atmosphäre ausbreitet, können Schnecken- und Teleskoparrayforscher die Partikelwechselwirkungen simulieren, um abzuleiten, wo in der Atmosphäre der Schauer seinen Höhepunkt erreichte. Und indem sie den Duschspitzenwert mit der gemessenen Duschenergie kombinieren, können sie auf die Masse – und damit auf die Identität – der UHECRs schließen.

Als die Auger-Wissenschaftler diese Methode anwendeten, erwarteten sie, dass die energiereichsten UHECRs einfach aus Protonen bestehen würden. Stattdessen fanden sie etwas Seltsames. Als die Energie der UHECRs von 1018 eV auf 1020 EV anstieg, stieg auch die Masse. „Wir beginnen mit vielen Protonen um 1019 eV“, erklärt Engel. „Dann gibt es plötzlich eine drastische Veränderung zu Helium und dann zu Elementen im Bereich von Kohlenstoff und Stickstoff.“Die Zunahme der Masse des UHECR, wenn die Strahlen energetischer werden, ist sowohl für Experimentalisten als auch für Theoretiker ein Problem. Was für Auger-Wissenschaftler schwierig ist, ist, dass schwerere UHECRs stärker von den Magnetfeldern der Milchstraße abgelenkt werden, was es noch schwieriger macht, ihre Quelle herauszufinden. Für Theoretiker wie Vasiliki Pavlidou von der Universität Kreta hingegen ist das Problem grundlegender: Es könnte unser gesamtes Verständnis der Hochenergiephysik in Frage stellen. „Wenn die Primärteilchen bei den höchsten Energien tatsächlich schwerer werden, gibt es ein paar unangenehme Zufälle, die wir akzeptieren müssen“, sagt sie.

Kosmische Strahlen über einer bestimmten Energie verlieren nach herkömmlicher Meinung schnell Energie, wenn sie mit Photonen im kosmischen Mikrowellenhintergrund interagieren, was bedeutet, dass die Energie von UHECRs, die auf der Erde gesehen werden, auf etwa 1020 eV begrenzt sein sollte. Wenn jedoch die beobachteten Teilchen mit Energie schwerer werden, dann muss der astrophysikalische Prozess, der die kosmische Strahlung überhaupt beschleunigt – was auch immer es ist –, nahe an seiner höchsten Energie laufen. (Die leichteren Teilchen sind dann einfach zu mickrig, um diese hohen Energien zu erreichen.) Die 1020 eV UHECR-Energiegrenze wird daher von zwei völlig unabhängigen Prozessen bestimmt: Wie die Teilchen an ihrer extragalaktischen Quelle beschleunigt werden und wie sie Energie verlieren, wenn sie durch den interstellaren Raum reisen. Das ist der erste seltsame Zufall.

Der zweite Zufall hat mit kosmischer Strahlung aus unserer Galaxie und solchen zu tun, die von anderswo kommen. Es scheint, dass galaktische kosmische Strahlung bei 3 × 1018 eV nicht mehr beobachtet wird – genau die gleiche Energie, bei der extragalaktische kosmische Strahlung mit Energie schwerer wird. Das ist seltsam, da galaktische und extragalaktische kosmische Strahlung aus sehr unterschiedlichen Quellen stammen (auch wenn wir immer noch nicht wissen, woher letztere stammen).

Da diese beiden Zufälle von Prozessen und Eigenschaften abhängen, die nicht einmal vage miteinander verwandt sind, warum finden sie auf denselben Energieskalen statt? Ein Grund könnte sein, dass diese Zufälle einfach nicht existieren. Das wäre sicherlich der Fall, wenn extragalaktische kosmische Strahlen nicht mit Energie schwerer werden, sondern nur immer Protonen sind; Die Zufälle würden dann einfach verschwinden. Tatsächlich rechnen Pavlidou und ihr Kreta-Kollege Theodore Tomaras damit, dass UHECRs hauptsächlich Protonen sein könnten, der einzige Haken wäre, dass es ein neues unentdecktes physikalisches Phänomen geben müsste, das die Luftschauer über einer bestimmten Energie beeinflusst.

Das mag abwegig klingen, aber es gibt gute Gründe, die Idee nicht direkt abzulehnen. Physiker modellieren, wie die Teilchen in der Luftdusche interagieren, basierend auf ihrem Verständnis des Standardmodells der Teilchenphysik, aber es wurde noch nie (auch am LHC) bei so hohen Energien getestet. Darüber hinaus sind diese Simulationen weit davon entfernt, alle beobachteten Luftduscheigenschaften zu erklären. Sie haben also zwei unangenehme Möglichkeiten. Entweder sind kosmische Strahlen Protonen und die neue Physik lässt sie schwer erscheinen. Oder UHECRs sind schwere Partikel und das Standardmodell muss ernsthaft optimiert werden.

Aber wenn UHECRs Protonen sind, wird es einige alternative Überlegungen erfordern, herauszufinden, wie Protonen sich als schwerere Teilchen tarnen könnten. Eine aufregende Möglichkeit ist, dass die anfängliche Kollision des Protons ein kleines Schwarzes Loch erzeugt, dessen Existenz von Theorien mit großen zusätzlichen Dimensionen vorhergesagt wird. „Für die richtige Anzahl solcher Dimensionen können sie tatsächlich die gewünschte Masse haben“, erklärt Tomaras. „Mini-Schwarze Löcher würden sofort zu einer großen Anzahl von Hadronen zerfallen, die sich die Energie des Schwarzen Lochs teilen, wodurch das Protonenprimärmaterial schwer“aussieht“.“

Unter Wasser in den Himmel schauen

Eine andere Alternative wäre, sich auf die Existenz noch unentdeckter Phasen der Quantenchromodynamik (QCD) zu berufen – der Theorie, die beschreibt, wie Quarks in Protonen, Neutronen und anderen Hadronen gebunden sind. Tomaras gibt jedoch zu, dass dies „exotische“ Szenarien sind. „Wir haben noch keine großen zusätzlichen Dimensionen entdeckt“, sagt er, „und wir haben Grund zu der Annahme, dass der Produktionsquerschnitt von Mini-Schwarzen Löchern höchstwahrscheinlich zu klein sein wird, um unseren Zweck zu erfüllen, und außerdem haben wir noch kein robustes quantitatives Verständnis der Phasen von QCD.“ Wenn jedoch die Oberflächen von UHECRs Protonen sind, glaubt Tomaras, dass es „fast unvermeidlich“ ist, dass solche exotischen Phänomene in der Natur auftreten.

Was beschleunigt sie?

Abgesehen von der mangelnden Gewissheit, was UHECRs sind, ist die Frage, die wirklich wichtig ist: Was macht sie aus? Hier ist das Bild noch verwirrender. Bis vor kurzem erforschten einige Physiker exotische Ideen, die als „Top-Down-Modelle“ bekannt sind und über das Standardmodell hinausgehen. Die Idee ist, dass hochenergetische, unbekannte Objekte wie superschwere dunkle Materie – mit Massen, die 1012 mal größer sind als die Protonenmasse – zu UHECR–Teilchen zerfallen würden. Der Haken an diesen Modellen ist, dass sie darauf hindeuten, dass kosmische Strahlung von Photonen und Neutrinos dominiert werden sollte, während Daten vom Pierre Auger Observatory, Telescope Array und anderswo auf meist geladene Teilchen hindeuten. „Niemand versucht mehr, exotische Modelle des klassischen Top-Down-Setups zu bauen“, erklärt Engel.Obwohl das exotische Szenario der dunklen Materie als Quelle von UHECRs nicht vollständig ausgeschlossen wurde, denken Forscher ernster darüber nach, ob extrem heftige astrophysikalische Ereignisse stattdessen für so hohe Energien verantwortlich sein könnten. Pulsare, Gammastrahlenausbrüche, Jets aus aktiven galaktischen Kernen, Starburst-Galaxien und andere wurden vorgeschlagen, wobei die öffentliche Meinung zwischen ihnen schwankte.Roberto Aloisio vom Gran Sasso Science Institute in Italien glaubt, dass die Ergebnisse von Auger – was auf schwerere UHECR–Partikel bei den höchsten Energien hindeutet – eine wichtige Entwicklung sind. „Es ist einfacher, schwere Kerne als Protonen zu beschleunigen, weil die Beschleunigungsmechanismen immer die elektrische Ladung der Teilchen spüren – und Kerne, die schwerer als Protonen sind, haben immer eine größere elektrische Ladung“, erklärt er. Als Ergebnis schlägt Aloisio vor, dass Auger auf Pulsare als Quelle von UHECRs hinweist, die schwerere Elemente produzieren und diese Teilchen auf die erforderliche Energie treiben könnten (Prog. Theor. Verwendbar bis. Phys. 2017 12A102).

Derzeit gibt es jedoch einen Kandidaten, der allen anderen als Quelle für UHECRs voraus ist. „Wenn ich wetten müsste, würde ich definitiv mein ganzes Geld in Starburst-Galaxien stecken“, sagt Luis Anchordoqui von der City University of New York, der Mitglied des 500-köpfigen Auger-Teams ist. Starburst-Galaxien sind die leuchtendsten im Universum und bilden mit rasender Geschwindigkeit Sterne. Wie Anchordoqui und Kollegen 1999 erstmals vermuteten, beschleunigen nahe gelegene Starburst-Galaxien Kerne durch eine kollektive Anstrengung auf ultrahohe Energien, indem sie zahlreiche Supernovaexplosionen in der zentralen dichten Region der Galaxie kombinieren, um einen „Superwind“ aus ausströmendem Gas im galaktischen Maßstab zu erzeugen.

Wenn sich dieser Superwind ausdehnt, wird er weniger dicht und verlangsamt den Fluss auf Unterschallgeschwindigkeit – was den Fortschritt des Superwinds selbst stoppt. „Dies erzeugt eine gigantische Schockwelle, ähnlich der nach der Explosion einer Atombombe, aber viel stärker“, sagt Anchordoqui.

Entscheidend ist, dass dieser Prozess des diffusiven Schockbeschleunigers (DSA) Gaspartikel in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit bringen kann. Partikel gewinnen inkrementell Energie, indem sie durch Magnetfelder begrenzt werden und die Schockfront kreuzen und wieder kreuzen. Um den astrophysikalischen Beschleuniger herum bauen sich diese kleinen Energie-Boosts auf, bis das Teilchen die Fluchtgeschwindigkeit erreicht und in den Weltraum fliegt. Anchordoqui hat die Arbeit kürzlich im Zusammenhang mit den neuesten Erkenntnissen von Auger (Phys. Rev. D 97 063010).

DSA, die nicht nur in Starburst-Galaxien vorkommt, wird oft aufgerufen, um die vorgeschlagene Teilchenbeschleunigung in Gammastrahlenausbrüchen, aktiven galaktischen Kernen und anderen UHECR-Quellkandidaten zu erklären. Doch Anfang 2018 zeigten Kohta Murase und seine Mitarbeiter von der Penn State University, dass ein anderer Beschleunigungsmechanismus im Spiel sein könnte (Phys. Rev. D 97 023 026).In ihrem Modell erhalten gewöhnliche kosmische Strahlen, die in einer bestimmten Galaxie existieren, einen enormen Energieschub durch starke Jets aktiver galaktischer Kerne durch einen Mechanismus, der als diskrete Scherbeschleunigung bekannt ist. Es ist ein komplexer Prozess, der die Wechselwirkung zwischen dem Teilchen, lokalen Störungen im Magnetfeld und der Geschwindigkeitsdifferenz – oder „Scherung“ – verschiedener Teile der Strömung des Strahls und des Umgebungskokons beinhaltet. Aber am Ende ist der Effekt ähnlich wie DSA. „Die kosmische Strahlung gewinnt Energie, indem sie um die Schergrenze hin und her streut“, erklärt Murase, woraufhin sie durch die Radiokeulen entweicht, die oft am Ende der Jets zu finden sind.

In jüngerer Zeit haben Murase und Ke Fang von der University of Maryland (Nature Phys. 14 396) revisited eine Idee, dass mächtige Schwarze Lochstrahlen in Aggregaten von Galaxien UHECRs antreiben könnten. Zu Beginn verglichen sie ihr Modell mit Augers beobachteten UHECR-Fluss- und Zusammensetzungsdaten und zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen. Am faszinierendsten war jedoch, dass sie die Daten erklären konnten, die vom IceCube Neutrino Observatory in der Antarktis, dem Fermi Gamma-ray Space Telescope und Auger gleichzeitig gesammelt wurden, indem sie detailliert beschrieben, wie UHECRs, Neutrinos und Gammastrahlen von aktiven galaktischen Kernen erzeugt werden könnten. „Die schönste Möglichkeit ist, dass alle drei Botenstoffteilchen aus derselben Quellenklasse stammen“, fügt Murase hinzu.

Woher kommen sie?

Wenn wir wüssten, woher UHECRs am Himmel kommen, wäre die Aufgabe, die Quelle auszuwählen, aus der sie stammen, viel einfacher. Aber so etwas wie „einfach“ gibt es in der kosmischen Strahlenwissenschaft nicht. Unerschrocken verwenden Auger- und Telescope Array-Wissenschaftler Kataloge potenzieller Kandidatenobjekte, die UHECRs beschleunigen könnten, und versuchen dann, sie mit den Ankunftsrichtungen der kosmischen Strahlung abzugleichen, die sie beobachten. Da immer mehr Daten eintreffen, haben beide Einrichtungen jeweils ein Gebiet identifiziert, aus dem ein großer Teil dieser Strahlen zu stammen scheint.

Im Fall von Auger enthält dieser Bereich eine Reihe von Starburst–Galaxien, aber auch Centaurus A – die nächste Riesengalaxie zur Milchstraße, die einen aktiven galaktischen Kern beherbergt. Was das Teleskop-Array betrifft, so ist sein „Hot Spot“, der direkt unter dem Griff der Ursa Major-Konstellation liegt, ein noch klarerer Hinweis auf eine Ankunftsrichtung, wobei ein Viertel der detektierten UHECR-Signale von einem 40 ° -Kreis stammt, der nur 6% des Himmels ausmacht. Aber obwohl sich die Starburst-Galaxie M82 im Hot Spot befindet, etwa 12 Millionen Lichtjahre entfernt in Ursa Major, könnten auch verschiedene andere Arten von Objekten in diesem Himmelsbereich ein UHECRACKER sein.“Die Korrelation ist in Richtung von M82, wenn man sagen will, dass es Starburst-Galaxien sind, oder es ist die Richtung von Centaurus A, wenn man will, dass es aktive galaktische Kerne sind“, sagt Engel. „Obwohl die Daten besser mit Starburst-Galaxien korrelieren, bedeutet dies nicht, dass sie die Quellen sein werden.“So wie wir nicht wissen, was UHECRs sind oder was sie beschleunigt, so ist es auch nicht sichtbar, woher sie am Himmel stammen. Es kann jedoch nicht lange dauern, bis wir die Antwort finden. Upgrades für das Pierre Auger Observatory und das Teleskop-Array sind im Gange, während Forscher neue Einrichtungen wie die Sonde der Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) Satelliten erkunden.

Das Geheimnis der Masse und des Ursprungs dieser rätselhaften Teilchen könnte innerhalb eines Jahrzehnts endlich gelüftet werden.