Rätsel um Kosmische Strahlung vermutlich gelöst

Die Energie­verteilung der kosmischen Strahlung zeigt seit Jahrzehnten eine deutliche Struktur-Änderung (“Knie“): oberhalb von etwa 3 PeV sinkt die Häufigkeit der Teilchen deutlich stärker. Laut Phys.org führen neue Studien diese Struktur nun auf sogenannte Mikro-Quasare zurück, also binäre Systeme mit einem Schwarzen Loch, das Materie aufnimmt und dabei starke Jets erzeugt.

Mikro-Quasare als Hochenergie-Teilchenbeschleuniger

Schwarze Löcher können beim Einsaugen von Material eines Begleitsterns energiereiche Jets erzeugen. Solche Systeme heißen wegen ihrer Ähnlichkeit zu Quasaren im Kleinformat auch Mikroquasare.

Die Versuchsanlage Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) konnte bei fünf ausgewählten Mikro-Quasaren ultra­hoch­energetische Gamma­strahlung messen. In dem System SS 433 überschneiden sich Jet und eine große Wolke aus Atom­teilchen, was nahelegt, dass dort beschleunigte Protonen mit Umgebungsteilchen kollidieren. Bei einem anderen Mikro-Quasar betrug die gemessene Gamma­energie etwa 0,8 PeV, und die zugrundeliegenden Protonen lagen oberhalb von 10 PeV. Phys.org Damit zeigen solche Systeme eine Beschleunigungs­fähigkeit, die deutlich über dem liegt, was bislang für explodierende Sterne, sogenannte Supernovae, angenommen wurde.

Bedeutungen für die Herkunft der kosmischen Strahlung

Bislang galten Supernova-Überreste als Haupt­quelle für kosmische Strahlung. Doch sie hätten nicht ausreichend Energie, um die Teilchen bis auf das Niveau der „Knie“-Region anzutreiben. Die neuen Daten zeigen nun, dass zumindest die Protonen mit Energien im PeV-Bereich vorwiegend von Mikro-Quasaren stammen könnten. Das heißt: In unserer Milchstraßen-Galaxie existieren mehrere Beschleuniger mit unterschiedlicher Energiereichweite, das „Knie“ markiert das Limit der vorgängigen Quellen.

Die Messung war anspruchsvoll, da Teilchen in dieser hohen Energie­sparte sehr selten sind und indirekte Messverfahren am Erdboden mit Atmosphäreinteraktion arbeiten müssen. LHAASO entwickelte dazu Multi-Parameter Methoden, um gezielt Protonen zu selektieren.

Ausblick und offene Fragen

Die Ergebnisse gelten als wichtiger Schritt zur Aufklärung der kosmischen Strahlung. Dennoch bleiben Detailfragen offen, wie genau die Beschleunigung in den Jets der Schwarzen Löcher funktioniert und wie sich die verschiedenen Quellen im Beitrag zur Gesamtstrahlung quantitativ verteilen. Zukünftige Beobachtungen sollen auch leichtere und schwerere Atomkerne einschliessen, nicht nur Protonen.