Neue Computersimulation hilft bei der Suche nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung

Ein internationales Forscherteam hat ein Computerprogramm entwickelt, das den Transport kosmischer Strahlung durch das All simulieren kann. Die Forscher hoffen, dass es ihnen helfen wird, das Rätsel um die Quellen der kosmischen Strahlung zu lösen.

Bisher wissen wir nicht, welche Himmelskörper die hochenergetische Strahlung abgeben, die aus dem All auf die Erde niederprasselt. Theoretische Modelle sind notwendig, um experimentelle Daten zu erklären; die neue Computersimulation kann diese liefern. Ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) beschreibt die Software in der Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik.

Wie ein gleichmäßig erleuchteter Himmel bei Tag

Seit ihrer Entdeckung vor 100 Jahren versuchen Forscher zu entschlüsseln, woher die kosmische Strahlung kommt. Das Problem ist, dass sie von der Erde aus mit bloßem Auge tagsüber wie der Himmel aussehen – nämlich fast überall gleich hell erleuchtet.

Denn das Licht der Sonne wird in der Erdatmosphäre gestreut und verteilt sich gleichmäßig über den gesamten Himmel. Auch kosmische Strahlen werden auf ihrem Weg zur Erde gestreut – durch Wechselwirkungen mit kosmischen Magnetfeldern. Alles, was wir von der Erde sehen können, ist ein gleichmäßig beleuchtetes Bild; der Ursprung der Strahlung bleibt verborgen.

Simulation der Partikelbahnen von der Produktion bis zur Detektion

„Mit unserem Programm CRPropa können wir die Bahnen von Teilchen von ihrer Entstehung bis zu ihrer Ankunft auf der Erde verfolgen – und das für alle Energien, die wir von der Erde aus beobachten können“, sagt Julien Dörner, Ph.D. Student an der RUB. „Wir können auch die Wechselwirkung der Teilchen mit Materie und Photonenfeldern im Universum vollständig erklären.“

Das Programm kann nicht nur die Ausbreitung kosmischer Strahlung simulieren, sondern auch Signaturen von Neutrinos und Gammastrahlen, die bei Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung erzeugt werden. „Anders als kosmische Strahlung können diese Botenteilchen direkt von ihren Quellen aus beobachtet werden, wenn sie auf geradem Weg zur Erde kommen“, erklärt Dr. Patrick Reichherzer, Postdoktorand an der RUB. „Wir können die Software auch verwenden, um solche Signaturen von Neutrinos und Gammastrahlen von entfernten Galaxien wie Starbursts oder aktiven Galaxien vorherzusagen.“

Das vorgestellte Simulationsprogramm ist derzeit die umfassendste Software und öffnet neue Fenster zum Universum. „Wir können in der Simulation neue Energiebereiche erkunden, die mit den bisherigen Programmen nicht so detailliert erfasst werden konnten“, sagt Professor Karl-Heinz Kampert von der Bergischen Universität Wuppertal. „Am wichtigsten ist, dass wir ein theoretisches Modell entwickeln können, das den Übergang von kosmischer Strahlung aus unserer eigenen Galaxie zu einem Anteil entfernter Galaxien beschreibt, und es mit Beobachtungen vergleichen.“

Theoretische Berechnungen, die für die Interpretation experimenteller Daten unerlässlich sind

Das Simulationsprogramm wurde als Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit von 17 Forschern aus Deutschland, Spanien, den Niederlanden, Italien, Kroatien, England und Österreich entwickelt. Mit acht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist die RUB Leadpartner des Projekts. Das Projekt wurde im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs (SFB) 1491 The Interplay of Cosmic Matter durchgeführt.

SFB-Sprecherin Professorin Julia Tjus von der RUB sagt: „Die Veröffentlichung ist ein großer Schritt hin zu einer quantitativen Beschreibung des Transports und der Wechselwirkung kosmischer Strahlung in drei Dimensionen. CRPropa wird wesentlich dazu beitragen, zu verstehen, woher kosmische Strahlung kommt theoretische Berechnungen, die uns helfen, die Vielfalt der Daten zu interpretieren, die wir von den verschiedenen Instrumenten erhalten, die den Kosmos überwachen.“