Wissenschaftler entdecken das energiereichste Licht der Sonne

Manchmal ist der beste Ort, um ein Geheimnis zu verbergen, der helle Tag. Fragen Sie einfach die Sonne.

„Die Sonne ist überraschender, als wir wussten“, sagte Mehr Un Nisa, Postdoktorand an der Michigan State University. „Wir dachten, wir hätten diesen Stern herausgefunden, aber das ist nicht der Fall.“

Nisa, die bald der Fakultät der MSU beitreten wird, ist die korrespondierende Autorin eines neuen Artikels in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Untersuchung Darin wird die Entdeckung des energiereichsten Lichts beschrieben, das jemals von der Sonne beobachtet wurde.

Das internationale Team hinter der Entdeckung fand außerdem heraus, dass diese Art von Licht, bekannt als Gammastrahlen, überraschend hell ist. Das heißt, es gibt mehr davon, als Wissenschaftler bisher erwartet hatten.

Zuschauen wie ein HAWC

Obwohl das hochenergetische Licht die Erdoberfläche nicht erreicht, erzeugen diese Gammastrahlen verräterische Signaturen, die von Nisa und ihren Kollegen am High-Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC) entdeckt wurden.

HAWC ist ein wichtiger Teil der Geschichte. Im Gegensatz zu anderen Observatorien ist es rund um die Uhr in Betrieb.

„Wir verfügen jetzt über Beobachtungstechniken, die vor einigen Jahren noch nicht möglich waren“, sagte Nisa, die in der Abteilung für Physik und Astronomie der Fakultät für Naturwissenschaften arbeitet.

„In diesem speziellen Energieregime konnten andere bodengestützte Teleskope nicht auf die Sonne schauen, weil sie nur nachts arbeiten“, sagte sie. „Unsere ist rund um die Uhr in Betrieb.“

HAWC funktioniert nicht nur anders als herkömmliche Teleskope, sondern sieht auch ganz anders aus als typische Teleskope.

Anstelle einer mit Glaslinsen ausgestatteten Röhre nutzt HAWC ein Netzwerk aus 300 großen Wassertanks, von denen jeder mit etwa 200 Tonnen Wasser gefüllt ist. Das Netzwerk liegt zwischen zwei ruhenden Vulkangipfeln in Mexiko, mehr als 13.000 Fuß über dem Meeresspiegel.

Von diesem Standpunkt aus kann man die Folgen beobachten, die Gammastrahlen auf die Luft in der Atmosphäre treffen. Solche Kollisionen erzeugen sogenannte Luftschauer, die ein wenig wie Teilchenexplosionen sind und mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar sind.

Die Energie des ursprünglichen Gammastrahls wird freigesetzt und auf neue Fragmente verteilt, die aus energieärmeren Teilchen und Licht bestehen. Es sind diese Partikel – und die neuen Partikel, die sie auf ihrem Weg nach unten erzeugen – die HAWC „sehen“ kann.

Wenn die Schauerpartikel mit dem Wasser in den HAWC-Tanks interagieren, erzeugen sie sogenannte Tscherenkow-Strahlung, die mit den Instrumenten des Observatoriums nachgewiesen werden kann.

Nisa und ihre Kollegen begannen 2015 mit der Datenerfassung. Im Jahr 2021 hatte das Team genügend Daten gesammelt, um mit der gründlichen Untersuchung der Gammastrahlen der Sonne zu beginnen.

„Nachdem wir die Daten aus sechs Jahren untersucht hatten, kam dieser Überschuss an Gammastrahlen zum Vorschein“, sagte Nisa. „Als wir es zum ersten Mal sahen, dachten wir: ‚Das haben wir definitiv vermasselt. Die Sonne kann bei diesen Energien nicht so hell sein.‘“

Geschichte schreiben

Die Sonne strahlt viel Licht mit unterschiedlichen Energien aus, wobei einige Energien häufiger vorkommen als andere.

Beispielsweise liefert die Sonne durch ihre Kernreaktionen eine Menge sichtbares Licht – also das Licht, das wir sehen. Diese Form von Licht trägt eine Energie von etwa 1 Elektronenvolt, was in der Physik eine praktische Maßeinheit ist.

Die Gammastrahlen, die Nisa und ihre Kollegen beobachteten, hatten etwa 1 Billion Elektronenvolt oder 1 Teraelektronenvolt, abgekürzt 1 TeV. Nicht nur dieses Energieniveau war überraschend, sondern auch die Tatsache, dass sie so viel davon sahen.

In den 1990er Jahren sagten Wissenschaftler voraus, dass die Sonne Gammastrahlen erzeugen könnte, wenn hochenergetische kosmische Strahlung – Teilchen, die von einem kosmischen Kraftwerk wie einem Schwarzen Loch oder einer Supernova beschleunigt werden – in der Sonne in Protonen zerschmettert. Basierend auf dem, was über kosmische Strahlung und die Sonne bekannt war, stellten die Forscher jedoch auch die Hypothese auf, dass diese Gammastrahlen selten die Erde erreichen würden.

Allerdings gab es zu diesem Zeitpunkt noch kein Instrument, das solch hochenergetische Gammastrahlen nachweisen konnte, und das würde auch für eine Weile so bleiben. Die erste Beobachtung von Gammastrahlen mit Energien von mehr als einer Milliarde Elektronenvolt erfolgte 2011 mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA.

Im Laufe der nächsten Jahre zeigte die Fermi-Mission, dass diese Strahlen nicht nur sehr energiereich sein könnten, sondern auch, dass es etwa siebenmal mehr davon gab, als Wissenschaftler ursprünglich erwartet hatten. Und es sah so aus, als gäbe es bei noch höheren Energien noch Gammastrahlen zu entdecken.

Wenn ein Teleskop ins All startet, sind die Größe und Leistung seiner Detektoren begrenzt. Die Messungen der Gammastrahlung der Sonne mit dem Fermi-Teleskop ergaben ein Maximum von rund 200 Milliarden Elektronenvolt.

Theoretiker um John Beacom und Annika Peter, beide Professoren an der Ohio State University, ermutigten die HAWC Collaboration, einen Blick darauf zu werfen.

„Sie stießen uns an und sagten: „Wir sehen keine Unterbrechung.“ „Vielleicht kannst du etwas sehen“, sagte Nisa.

Die HAWC-Kollaboration umfasst mehr als 30 Institutionen in Nordamerika, Europa und Asien, und ein beträchtlicher Teil davon ist in den fast 100 Autoren des neuen Papiers vertreten. Dazu gehören der Absolvent der Michigan State University, Daniel Salazar-Gallegos, der emeritierte Professor James Linnemann und Kirsten Tollefson, Professorin für Physik und Astronomie und stellvertretende Dekanin der Graduiertenschule der MSU.

Jetzt habe das Team zum ersten Mal gezeigt, dass die Energien der Sonnenstrahlen bis in den TeV-Bereich reichen, bis zu fast 10 TeV, was tatsächlich das Maximum zu sein scheint, sagte Nisa.

Derzeit wirft die Entdeckung mehr Fragen als Antworten auf. Solarwissenschaftler werden sich nun den Kopf darüber zerbrechen, wie genau diese Gammastrahlen solch hohe Energien erreichen und welche Rolle die Magnetfelder der Sonne bei diesem Phänomen spielen, sagte Nisa.

Wenn es jedoch um den Kosmos geht, ist das ein Teil der Aufregung. Es sagt uns, dass etwas nicht stimmte, fehlte oder vielleicht beides, wenn es darum ging, wie wir unseren nächsten und liebsten Stern verstehen.

„Dies zeigt, dass HAWC unser Wissen über unsere Galaxie bei den höchsten Energien erweitert und Fragen zu unserer eigenen Sonne aufwirft“, sagte Nisa. „Es lässt uns die Dinge in einem anderen Licht sehen. Im wahrsten Sinne des Wortes.“