Wissenschaftler der Telescope Array Collaboration haben eine kosmische Strahlung mit ultrahoher Energie entdeckt, eine Entdeckung, die unser derzeitiges Verständnis exotischer kosmischer Phänomene und ihrer Ursprünge in Frage stellt.
In einem Studie heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht Zusammenarbeit mit Teleskop-Arrays hat über die Entdeckung einer ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (kurz UHECR) berichtet, die ein Energieniveau von etwa 244 Exa-Elektronenvolt oder etwa 40 Joule aufweist. Diese Messung, die von einem Oberflächendetektorarray in Utah durchgeführt wurde, stellt einen der höchsten Energiewerte dar, die jemals für kosmische Strahlung beobachtet wurden. Laut den Forschern ist dieses beobachtete Energieniveau etwa eine Million Mal höher als das, was die leistungsstärksten von Menschen hergestellten Teilchenbeschleuniger erzeugen können.
Das Telescope Array-Projekt ist eine gemeinsame Initiative von Universitäten und Institutionen aus den Vereinigten Staaten, Japan, Korea, Russland und Belgien und dient der Überwachung von „Luftschauern“, die durch kosmische Strahlung extrem hoher Energie verursacht werden. Für das bloße Auge unsichtbar wird unser Planet kontinuierlich mit dieser kosmischen Strahlung bombardiert, die sowohl aus lokalen Quellen innerhalb unserer Galaxie als auch aus entfernten extragalaktischen Regionen stammt. Um es klarzustellen: Diese Weltraumstrahlen sind kein Grund zur Sorge; Die Erdatmosphäre und das Magnetfeld bieten einen wirksamen Schutz vor kosmischer Strahlung und verringern so deren Schadenspotenzial für Menschen und andere Lebensformen erheblich.
Der Teleskop-Array in Utah erkennt extrem seltene, hochenergetische kosmische Strahlung mithilfe eines Netzwerks von 507 Erkennungsstationen auf einer Fläche von 270 Quadratmeilen (700 Quadratkilometer). Diese Stationen fangen Sekundärteilchen ein, die entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Atmosphäre trifft, und erzeugen so ausgedehnte Luftschauer (EAS). Das System umfasst Kunststoffszintillatoren, die leuchten, wenn geladene Teilchen sie passieren, und Fluoreszenzdetektoren zur Messung der Energie des EAS. Die mithilfe von GPS-Zeitmessungen und Simulationen analysierten Daten der Stationen helfen dabei, die Energie, Masse und Ankunftsrichtung der kosmischen Strahlung zu bestimmen, obwohl sie selten vorkommt.
Tatsächlich sind UHECRs wie das in der neuen Studie beschriebene unglaublich selten und man geht davon aus, dass sie von den energiereichsten Prozessen im Universum stammen, wie etwa Schwarzen Löchern und Gammastrahlenausbrüchen. Aufgrund ihres seltenen Auftretens – weniger als einmal pro Jahrhundert und Quadratkilometer – sind für die Beobachtung dieser kosmischen Strahlen große Detektoren erforderlich. Das Ereignis im Mai 2021 ist daher eine große Sache für die Forschung der kosmischen Strahlung.
Die Quelle dieser extragalaktischen kosmischen Strahlung, die am 27. Mai 2021 entdeckt wurde, bleibt ein Rätsel, da ihre Einfallsrichtung nicht mit bekannten astronomischen Objekten übereinstimmt. Der Ankunftspfad der kosmischen Strahlung, der sich in der Nähe der Scheibe der Milchstraße befindet, legt nahe, dass es beim Durchqueren von Magnetfeldern (die in der gesamten Galaxie allgegenwärtig sind, seien es großräumige Magnetfelder oder lokalisierte Magnetfelder, die von Sternen erzeugt werden) wahrscheinlich nur geringfügige Abweichungen gab. Supernova-Überreste und andere Himmelsobjekte). Das bedeutet, dass sich die kosmische Strahlung wahrscheinlich fast direkt von ihrem Ursprungsort ausgebreitet hat, sagen die Forscher.
Allerdings korreliert seine Quellrichtung nicht mit bekannten Galaxien oder astronomischen Objekten, die typischerweise mit UHECRs in Verbindung gebracht werden. Stattdessen scheint es aus einer Lücke in der Struktur des Universums entstanden zu sein – einer leeren Region mit sehr wenigen Galaxien. Für euch Astronomie-Nerds da draußen ist es speziell die lokale Leere, eine leere Lücke zwischen der lokalen Gruppe von Galaxien und den nahegelegenen Filamenten der großräumigen Struktur; Es wurden nur sehr wenige Galaxien innerhalb dieser Leere dokumentiert, von denen keine von den Forschern für fähig gehalten wurde, solch eine starke kosmische Strahlung auszusenden.
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Der Studie zufolge könnte die unerwartete Flugbahn der kosmischen Strahlung darauf zurückzuführen sein, dass sie durch Magnetfelder in unserer Nähe deutlich umgelenkt wurde, oder sie könnte von einem noch zu entdeckenden astronomischen Objekt in der Nähe unserer Galaxie stammen. Alternativ könnte diese Anomalie Lücken in unserem aktuellen Verständnis der Physik aufdecken, die solchen hochenergetischen Teilchen zugrunde liegt, spekulieren die Astronomen.
Zur weiteren Untersuchung verglichen die Forscher das Ereignis mit anderen beobachteten UHECRs über 100 Exa-Elektronenvolt (EeV) und fanden eine isotrope Verteilung, was bedeutet, dass diese kosmische Strahlung aus allen Richtungen im Raum gleichmäßig und ohne Häufung zu kommen scheint. Dieses isotrope Muster erhöht die Komplexität bei der Bestimmung ihrer Ursprünge.
In der Vergangenheit wurden andere hochenergetische kosmische Strahlen entdeckt, beispielsweise ein 320-EeV-Teilchen im Jahr 1991, ein 213-EeV-Teilchen im Jahr 1993 und ein 280-EeV-Teilchen im Jahr 2001, alle auf der Nordhalbkugel. Auf der Südhalbkugel wurden keine Ereignisse über 166 EeV registriert. Diese Vergleiche sind für das Verständnis der Verteilung und des Ursprungs solcher hochenergetischen Ereignisse von entscheidender Bedeutung. Zukünftige Beobachtungen werden daher hoffentlich weitere Erkenntnisse liefern und möglicherweise neue Muster oder Quellen aufdecken.
Obwohl dieser Nachweis für die Erforschung der kosmischen Strahlung wichtig ist, wirft er mehr Fragen als Antworten zu den Ursprüngen und Mechanismen dieser hochenergetischen Teilchen auf. Die Erkenntnisse aus dem Telescope Array-Experiment bieten eine neue Perspektive auf die Geheimnisse des Universums, unterstreichen aber auch die Weite unserer Unbekannten in der Astrophysik.
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