Vielleicht wissen wir endlich, woher die hochenergetische kosmische Strahlung kommt

Vor etwa einem Jahrhundert begannen Wissenschaftler zu erkennen, dass ein Teil der Strahlung, die wir in der Erdatmosphäre entdecken, nicht lokalen Ursprungs ist.

Erscheinungsdatum des neuen Spider-Man-Spiels



Dies führte schließlich zur Entdeckung der kosmischen Strahlung – hochenergetische Protonen und Atomkerne, denen ihre Elektronen entzogen und auf relativistische Geschwindigkeiten (nahe der Lichtgeschwindigkeit) beschleunigt wurden.

Dieses seltsame (und möglicherweise tödliche) Phänomen birgt jedoch immer noch einige Geheimnisse. Dazu gehören Fragen zu ihre Ursprünge und wie die Hauptkomponente der kosmischen Strahlung (Protonen) auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird.



Dank neuer Forschungen unter der Leitung der Universität von Nagoya haben Wissenschaftler zum ersten Mal die Anzahl der kosmischen Strahlen quantifiziert, die in einem Supernova-Überrest produziert werden. Diese Forschung hat dazu beigetragen, ein 100 Jahre altes Rätsel zu lösen und ist ein wichtiger Schritt, um genau zu bestimmen, woher die kosmische Strahlung kommt.



Während Wissenschaftler theoretisieren, dass kosmische Strahlung aus vielen Quellen stammt – unserer Sonne, Supernovae, Gammastrahlenausbrüchen (GRBs) und aktive galaktische Kerne (manchmal auch Quasare genannt) – ihr genauer Ursprung ist seit ihrer Entdeckung im Jahr 1912 ein Rätsel. In ähnlicher Weise haben Astronomen die Theorie aufgestellt, dass Supernova-Überreste (die Nachwirkungen von Supernova-Explosionen) dafür verantwortlich sind, sie auf fast Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Schauer von hochenergetischen Teilchen treten auf, wenn energiereiche kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen. Kosmische Strahlung wurde 1912 unerwartet entdeckt. Bildnachweis: Simon Swordy (U. Chicago), NASA.

Auf ihrer Reise durch unsere Galaxie spielt die kosmische Strahlung eine Rolle bei der chemischen Entwicklung des interstellaren Mediums (ISM). Daher ist es wichtig, ihren Ursprung zu verstehen, um zu verstehen, wie sich Galaxien entwickeln.



In den letzten Jahren haben verbesserte Beobachtungen einige Wissenschaftler zu der Spekulation veranlasst, dass Supernova-Überreste kosmische Strahlung erzeugen, weil die von ihnen beschleunigten Protonen mit Protonen im ISM interagieren, um sehr hochenergetische (VHE) Gammastrahlen zu erzeugen.

Gammastrahlen werden jedoch auch von Elektronen erzeugt, die mit Photonen im ISM wechselwirken, die in Form von Infrarotphotonen oder Strahlung des Cosmic Microwave Background (CMB) vorliegen können. Daher ist es von größter Bedeutung, zu bestimmen, welche Quelle größer ist, um den Ursprung der kosmischen Strahlung zu bestimmen.

In der Hoffnung, dies zu beleuchten, hat das Forschungsteam – zu dem auch Mitglieder der Universität Nagoya, der Nationales Astronomisches Observatorium von Japan (NAOJ) und der University of Adelaide, Australien – beobachteten den Supernova-Überrest RX J1713.7?3946 (RX J1713).



Der Schlüssel zu ihrer Forschung war der von ihnen entwickelte neuartige Ansatz zur Quantifizierung der Quelle von Gammastrahlen im interstellaren Raum. Frühere Beobachtungen haben gezeigt, dass die Intensität der VHE-Gammastrahlung, die durch die Kollision von Protonen mit anderen Protonen im ISM verursacht wird, proportional zur interstellaren Gasdichte ist, die mit Radiolinien-Bildgebung erkennbar ist.

Andererseits wird erwartet, dass Gammastrahlen, die durch die Wechselwirkung von Elektronen mit Photonen im ISM verursacht werden, auch proportional zur Intensität nichtthermischer Röntgenstrahlen von Elektronen sind.

Für ihre Studie stützte sich das Team auf Daten des High Energy Stereoscopic System (HESS), einem VHE-Gammastrahlen-Observatorium in Namibia (und betrieben vom Max-Planck-Institut für Kernphysik). Diese kombinierten sie dann mit Röntgendaten des ESA-Observatoriums X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton) und Daten zur Gasverteilung im interstellaren Medium.

Dann kombinierten sie alle drei Datensätze und stellten fest, dass Protonen 67 ± 8% der kosmischen Strahlung ausmachen, während kosmische Elektronen 33 ± 8% ausmachen – ungefähr eine Aufteilung von 70/30. Diese Erkenntnisse sind bahnbrechend, da erstmals der mögliche Ursprung der kosmischen Strahlung quantifiziert wurde. Sie sind auch der bisher definitivste Beweis dafür, dass Supernova-Überreste die Quelle der kosmischen Strahlung sind.

Diese Ergebnisse zeigen auch, dass Gammastrahlen von Protonen in gasreichen interstellaren Regionen häufiger auftreten, während diejenigen, die von Elektronen verursacht werden, in gasarmen Regionen verstärkt werden. Dies unterstützt, was viele Forscher vorhergesagt haben, nämlich dass die beiden Mechanismen zusammenwirken, um die Entwicklung des ISM zu beeinflussen. Genannt Emeritus Professor Yasuo Fukui, Erstautor der Studie:

Woche 7 Secret Battle Star Staffel 8
Diese neuartige Methode wäre ohne internationale Kooperationen nicht möglich gewesen. [Es] wird zusätzlich zu den bestehenden Observatorien mit dem Gammastrahlenteleskop der nächsten Generation CTA (Cherenkov Telescope Array) auf weitere Supernova-Überreste angewendet, was die Erforschung des Ursprungs der kosmischen Strahlung erheblich voranbringen wird.

Neben der Leitung dieses Projekts arbeitet Fukui seit 2003 an der Quantifizierung der interstellaren Gasverteilung unter Verwendung der NANTEN Radioteleskop an der Las Campanas-Observatorium in Chile und die Kompakt-Array des Australien-Teleskops .

Dank an Professor Gavin Rowell und Dr. Sabrina Einecke von der University of Adelaide (Co-Autoren der Studie) und die H.E.S.S. Team haben die räumliche Auflösung und Empfindlichkeit von Gammastrahlen-Observatorien endlich den Punkt erreicht, an dem Vergleiche zwischen beiden möglich sind.

Währenddessen leitete Co-Autor Dr. Hidetoshi Sano vom NAOJ die Analyse von Archivdatensätzen des XMM-Newton-Observatoriums. Insofern zeigt diese Studie auch, wie internationale Kooperationen und Datenaustausch alle Arten von Spitzenforschung ermöglichen. Zusammen mit verbesserten Instrumenten führen verbesserte Methoden und größere Kooperationsmöglichkeiten zu einem Zeitalter, in dem astronomische Durchbrüche an der Tagesordnung sind!