Astronomen messen kosmische Elektronen bei den bislang höchsten Energien

Fünf Teleskope der HESS-Kollaboration in Namibia werden zur Untersuchung der kosmischen Strahlung, insbesondere der Gammastrahlung, eingesetzt. Mit Daten aus 10 Jahren Beobachtung konnten Forscher nun kosmische Elektronen und Positronen mit einer beispiellosen Energie von mehr als 10 Tera-Elektronenvolt nachweisen.

Da geladene Teilchen durch die Magnetfelder in unserer kosmischen Nachbarschaft in alle Richtungen abgelenkt werden, ist es schwierig, ihren Ursprung zu bestimmen. Diesmal eröffnet jedoch die herausragende Qualität des gemessenen Teilchenenergiespektrums bis hin zu höchsten Energiewerten neue Möglichkeiten: Die Wissenschaftler vermuten, dass ein Pulsar, der möglicherweise nur wenige tausend Lichtjahre entfernt ist, die Quelle sein könnte .

Das Universum beherbergt extreme Umgebungen, von den kältesten Temperaturen bis zu den energiereichsten Quellen. Extreme Objekte wie Supernova-Überreste, Pulsare oder aktive Galaxienkerne erzeugen geladene Teilchen und Gammastrahlung mit Energien, die weit über denen liegen, die bei thermischen Prozessen wie der Kernfusion in Sternen erreicht werden.

Während die emittierten Gammastrahlen den Weltraum ungestört durchqueren, werden die geladenen Teilchen – oder kosmischen Strahlen – durch die allgegenwärtigen Magnetfelder im Universum abgelenkt und erreichen die Erde isotrop aus allen Richtungen. Dies bedeutet, dass Forscher nicht direkt auf den Ursprung der Strahlung schließen können.

Darüber hinaus verlieren geladene Teilchen durch Wechselwirkungen mit Licht und Magnetfeldern Energie. Besonders stark sind diese Verluste bei den energiereichsten Elektronen und Positronen (positiv geladene Antiteilchen des Elektrons) mit Energien oberhalb der Tera-Elektronenvolt-Marke.

Wenn Instrumente auf der Erde geladene kosmische Teilchen mit so hoher Energie messen, bedeutet das, dass sie nicht weit gereist sein können. Dies deutet auf die Existenz leistungsstarker natürlicher Teilchenbeschleuniger in der Nähe unseres Sonnensystems hin.

Ein Knick im Spektrum verrät den Ursprung

In einer neuen Analyse haben Wissenschaftler der HESS-Kollaboration erstmals eingegrenzt, woher diese kosmischen Teilchen kommen. Ausgangspunkt der Analyse ist die Messung des Spektrums der kosmischen Strahlung, also der Energieverteilung der gemessenen Elektronen und Positronen. Die Analyse basiert auf 10-jährigen Beobachtungen, was eine hohe Datenqualität garantiert. Das integrierte Elektronenspektrum reicht bis zu mehreren zehn Teraelektronenvolt.

Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Unsere Messung liefert nicht nur Daten in einem entscheidenden und bisher unerforschten Energiebereich, die unser Verständnis der lokalen Nachbarschaft beeinflussen, sondern wird wahrscheinlich auch ein Maßstab für die kommenden Jahre bleiben“, sagt Werner Hofmann vom Max-Planck-Institut für Kernenergie Physik in Heidelberg.

Im Spektrum, das bei TeV-Energien durch vergleichsweise kleine Fehlerbalken gekennzeichnet ist, fällt ein markanter Knick bei etwa einem Tera-Elektronenvolt auf. Sowohl oberhalb als auch unterhalb dieser Unterbrechung folgt das Spektrum einem Potenzgesetz ohne weitere Anomalien.

Streifzug durch die Galaxie

Um herauszufinden, welcher astrophysikalische Prozess die Elektronen auf solch hohe Energien beschleunigt hat und woher der Knick kommt, verglichen die Forscher diese Daten mit Modellvorhersagen. Quellenkandidaten sind Pulsare, Sternüberreste mit starken Magnetfeldern. Einige Pulsare blasen einen Wind aus geladenen Teilchen in ihre Umgebung, und die magnetische Stoßfront dieses Windes könnte der Ort sein, an dem die Teilchen einen Schub erfahren.

Das Gleiche gilt für Schockfronten von Supernova-Überresten. Computermodelle zeigen, dass so beschleunigte Elektronen mit einer bestimmten Energieverteilung in den Weltraum wandern. Diese Modelle verfolgen die Bewegung der Elektronen und Positronen durch die Milchstraße und berechnen, wie sich ihre Energie ändert, wenn sie mit Magnetfeldern und Licht in der Milchstraße interagieren.

Dabei verlieren die Teilchen so viel Energie, dass ihr ursprüngliches Energiespektrum verzerrt wird. Im letzten Schritt versuchen Astrophysiker, ihr Modell an die Daten anzupassen, um mehr über die Natur der astrophysikalischen Quellen zu erfahren.

Doch welches Objekt hat die Elektronen in den Weltraum geschleudert, die die Teleskope gemessen haben? Das Teilchenspektrum mit Energien unter einem Tera-Elektronenvolt besteht wahrscheinlich aus Elektronen und Positronen verschiedener Pulsare oder Supernova-Überreste.

Bei höheren Energien zeigt sich jedoch ein anderes Bild: Ab etwa einem Teraelektronenvolt fällt das Energiespektrum steil ab. Dies wird auch durch Modelle bestätigt, die die von astronomischen Quellen beschleunigten Teilchen und ihre Diffusion durch das galaktische Magnetfeld untersuchen. Dieser Übergang bei einem Teraelektronenvolt ist besonders ausgeprägt und außergewöhnlich scharf.

„Dies ist ein wichtiges Ergebnis, da wir daraus schließen können, dass die gemessenen Elektronen höchstwahrscheinlich aus sehr wenigen Quellen in der Nähe unseres eigenen Sonnensystems stammen, maximal bis zu einigen tausend Lichtjahren entfernt“, sagt Kathrin Egberts von der Universität von Potsdam. Dieser Abstand ist im Vergleich zur Größe der Milchstraße relativ gering.

„Quellen in unterschiedlichen Entfernungen würden diesen Knick erheblich auswaschen“, fährt Egberts fort.

Laut Hofmann könnte sogar ein einzelner Pulsar für das Elektronenspektrum bei hohen Energien verantwortlich sein. Es ist jedoch nicht klar, um welches es sich handelt. Da die Quelle sehr nahe sein muss, kommen nur wenige Pulsare in Frage.