Wissenschaftlern ist ein Durchbruch beim Verständnis des Ursprungs eines der stärksten jemals entdeckten Teilchen gelungen: des „Amaterasu“-Teilchens. Dieser nach der japanischen Sonnengöttin benannte kosmische Strahl trägt erstaunliche 40 Millionen Mal mehr Energie als Teilchen, die im weltgrößten Beschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC), erzeugt werden. Die Entdeckung wirft Licht auf die extremen Ereignisse, die Materie auf unvorstellbare Geschwindigkeiten beschleunigen, und könnte dabei helfen, die gewalttätigsten Regionen des Universums zu bestimmen.
Das Rätsel der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung
Kosmische Strahlung sind hochenergetische geladene Teilchen, die die Erde ständig aus dem Weltraum bombardieren. Das im Jahr 2021 entdeckte Amaterasu-Teilchen gilt als das zweithöchste jemals beobachtete Teilchen – nur übertroffen vom legendären „Oh-My-God“-Teilchen aus dem Jahr 1991. Solche extremen Energieniveaus sind außergewöhnlich selten, was Wissenschaftler dazu veranlasst, ihre Quellen zu untersuchen: vor allem Überreste von Supernova-Explosionen und die chaotischen Umgebungen um supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien.
Das Rätsel verschärfte sich, weil Amaterasu offenbar aus der „Lokalen Leere“ stammte, einer riesigen, fast leeren Region des Weltraums. Dem Hohlraum fehlen die dichten, heftigen Bedingungen, die typischerweise mit der Beschleunigung hochenergetischer Teilchen einhergehen, was seinen Ursprung noch verwirrender macht.
Neue Analysepunkte jenseits der Leere
Die Forscher Francesca Capel und Nadine Bourriche vom Max-Planck-Institut für Physik stellten diese Annahme in Frage. Mithilfe eines neuartigen datengesteuerten Ansatzes fanden sie Hinweise darauf, dass Amaterasu wahrscheinlich nicht aus der lokalen Leere, sondern aus einer nahegelegenen Sternentstehungsgalaxie stammte. Insbesondere legt ihre Analyse eine hohe Wahrscheinlichkeit nahe, dass das Teilchen von M82 aus gestartet wurde, einer relativ nahen und sich aktiv bildenden Galaxie.
Die Methode des Teams kombinierte realistische physikbasierte Simulationen mit Beobachtungsdaten unter Verwendung einer statistischen Technik namens Approximate Bayesian Computation in drei Dimensionen. Diese Technik verglich die vorhergesagten Pfade hochenergetischer kosmischer Strahlung unter Berücksichtigung des Einflusses von Magnetfeldern mit tatsächlichen Beobachtungen, um die wahrscheinlichsten Quellenorte zu bestimmen.
Implikationen für das Verständnis extremer kosmischer Ereignisse
Die Implikationen gehen über die Lösung des Geheimnisses von Amaterasu hinaus. Durch die Identifizierung potenzieller Fabriken kosmischer Strahlung können Wissenschaftler besser verstehen, wie das Universum Materie auf solch extreme Energien beschleunigt. Dieses Wissen könnte auch Erkenntnisse über das Verhalten von Materie unter Bedingungen liefern, die weit über alles hinausgehen, was in Laboren erreichbar ist.
„Die Erforschung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung hilft uns, besser zu verstehen, wie das Universum Materie auf solche Energien beschleunigen kann, und auch Umgebungen zu identifizieren, in denen wir das Verhalten von Materie unter solch extremen Bedingungen untersuchen können“, sagte Capel.
Das Forschungsteam konzentriert sich nun auf die Verfeinerung seiner statistischen Analysemethoden, um das Potenzial vorhandener Daten zu maximieren und ein noch tieferes Verständnis der Kräfte zu erlangen, die die energiereichsten Teilchen des Universums formen. Diese Arbeit wird dazu beitragen, die Geheimnisse der gewalttätigsten Umgebungen des Kosmos zu entschlüsseln.
