Studie findet bisher stärkste Beweise für lokale Quellen kosmischer Strahlungselektronen

Eine neue Studie unter Verwendung von Daten des CALorimetric Electron Telescope (CALET)-Instruments auf der Internationalen Raumstation hat Hinweise auf nahe gelegene, junge Quellen kosmischer Strahlungselektronen gefunden und zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise der Galaxie als Ganzes beigetragen.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Die Studie umfasste mehr als 7 Millionen Datenpunkte, die Teilchen repräsentieren, die seit 2015 am CALET-Detektor ankommen, und die Fähigkeit von CALET, Elektronen bei höchsten Energien zu erkennen, ist einzigartig. Infolgedessen umfassen die Daten mehr Elektronen bei hohen Energien als jede frühere Arbeit. Dies macht die statistische Analyse der Daten robuster und stützt die Schlussfolgerung, dass es eine oder mehrere lokale Quellen kosmischer Strahlungselektronen gibt.

„Dies ist eines der wichtigsten Dinge, nach denen CALET suchen muss“, sagt Nicholas Cannady, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Space Sciences and Technology der UMBC, einer Partnerschaft mit dem Goddard Space Flight Center der NASA und Leiter der Studie. Mit diesem Artikel fügt er hinzu: „Wir konnten wirklich in den Bereich vordringen, in dem es nur wenige Ereignisse gibt, und beginnen, nach Dingen mit höchsten Energien zu suchen, was aufregend ist.“

Ein besseres Verständnis der Galaxie

Die aktuelle Theorie geht davon aus, dass die Nachwirkungen von Supernovae (explodierenden Sternen), sogenannte Supernova-Überreste, diese hochenergetischen Elektronen produzieren, bei denen es sich um eine bestimmte Art kosmischer Strahlung handelt. Elektronen verlieren sehr schnell Energie, nachdem sie ihre Quelle verlassen haben, daher wird angenommen, dass die seltenen Elektronen, die mit hoher Energie bei CALET ankommen, aus Supernova-Überresten stammen, die (im kosmischen Maßstab) relativ nahe sind, erklärt Cannady.

Die Ergebnisse der Studie seien „ein starker Indikator dafür, dass das Paradigma, das wir zum Verständnis dieser hochenergetischen Elektronen haben – dass sie aus Supernova-Überresten stammen und dass sie so beschleunigt werden, wie wir denken – richtig ist“, sagt Cannady. Die Ergebnisse „geben Einblick in das, was in diesen Supernova-Überresten vor sich geht, und bieten eine Möglichkeit, die Galaxie und diese Quellen in der Galaxie besser zu verstehen.“

CALET ist ein Gemeinschaftsprojekt, das von Gruppen in Japan, Italien und den Vereinigten Staaten unter der Leitung von Shoji Torii aufgebaut und betrieben wird. Die Hauptautoren dieser Arbeit in Japan sind Torii, Yosui Akaike und Holger Motz von der Waseda-Universität in Tokio, und die Louisiana State University ist die federführende Institution in den USA

Neue Daten führen zu neuen Quellen kosmischer Strahlung

Frühere Arbeiten ergaben, dass die Anzahl der bei CALET ankommenden Elektronen stetig abnahm, wenn die Energie auf etwa 1 Teravolt (TeV) oder 1 Billion Elektronenvolt anstieg. Die Zahl der Elektronen, die mit noch größerer Energie eintrafen, war äußerst gering. Aber in dieser Studie konnte CALET nicht den erwarteten Rückgang feststellen. Stattdessen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Anzahl der Teilchen bei den höchsten Energien ein Plateau erreicht und dann sogar zunimmt – in einigen Fällen sogar bis zu 10 TeV.

Frühere Experimente konnten nur Teilchen bis etwa 4 TeV messen, daher sind die Kandidaten für Ereignisse mit der höchsten Energie darüber in dieser Studie eine entscheidende neue Informationsquelle über potenzielle nahegelegene Quellen kosmischer Strahlungselektronen. Cannady leitete die Bemühungen, jedes dieser Ereignisse einzeln zu analysieren, um zu bestätigen, dass sie ein echtes Signal darstellen, und ein tieferer Einblick in diese Ereignisse steht bevor.

Herausforderungen angehen

Bei hohen Energien ist es schwierig, zwischen Elektronen und Protonen zu unterscheiden, und es treffen viel mehr Protonen als Elektronen ein, was eine genaue Analyse vor Herausforderungen stellt. Um die Partikel voneinander zu unterscheiden, analysieren die Forscher mit einem Programm, wie die Partikel zerfallen, wenn sie auf den Detektor treffen.

Protonen und Elektronen zerfallen unterschiedlich, daher kann ein Vergleich der Teilchenkaskade, die sie bei diesem Prozess erzeugen, die Protonen herausfiltern. Bei den höchsten Energien nehmen jedoch die Unterschiede zwischen Protonen und Elektronen ab, was es schwieriger macht, nur die Protonen genau aus den Daten zu entfernen.

Um dieses Problem anzugehen, leitete Cannady die Bemühungen des CALET-Teams, die Zerfallsmuster von Protonen und Elektronen zu simulieren, die genau aus der Richtung kamen, aus der jedes der hochenergetischen Ereignisse kam. Dadurch konnte das Team möglichst genau bestimmen, ob es sich bei den Ereignissen um Elektronen oder Protonen handelt.

Basierend auf dieser Arbeit „glauben wir, dass wir die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei den Ereignissen um Protonen handelt, auf realistische Weise einschätzen können“, sagt Cannady. Nach dieser sorgfältigen Analyse verbleiben noch genügend vermutete Elektronen im Datensatz, um zu dem Schluss zu kommen, dass es ein echtes Signal gibt.

Grenzen überschreiten

T. Gregory Guzik, Professor für Physik an der LSU und Leiter der US-amerikanischen CALET-Kollaboration, ist begeistert, dass eine weitere Analyse der Daten darauf hindeutet, dass Elektronen aus den drei besten Kandidaten für nahegelegene Supernova-Überreste die hochenergetischen Ankünfte erklären können.

„Diese CALET-Beobachtungen eröffnen die verlockende Möglichkeit, dass Materie aus einem bestimmten nahegelegenen Supernova-Überrest auf der Erde gemessen werden kann“, teilt Guzik mit. „Fortgesetzte CALET-Messungen während der gesamten Lebensdauer der Internationalen Raumstation werden dazu beitragen, neues Licht auf den Ursprung und den Transport relativistischer Materie in unserer Galaxie zu werfen.“

Für Cannady ist es „das Aufregendste, Dinge bei den höchsten Energien zu sehen.“ Wir haben einige Kandidaten über 10 TeV – und wenn sich herausstellt, dass es sich dabei um echte Elektronenereignisse handelt, ist das wirklich ein Beweis für den klaren Beweis einer nahegelegenen Quelle.“ “ er sagt. „Das ist im Wesentlichen die Aufgabe von CALET. Daher ist es spannend, daran zu arbeiten und endlich Ergebnisse zu erzielen, die die Grenzen dessen überschreiten, was wir bisher gesehen haben.“