Unglaublich: Die energiereichsten Teilchen des Universums sind noch rätselhafter als gedacht

Eines der extremsten Beispiele ist der „Amaterasu-Teilchen", der 2021 Utah vom Telescope Array nachgewiesen und nach der japanischen Sonnengöttin benannt wurde. Seine Energie gleicht der des berühmten „Oh-My-God-Teilchens", das 1991 entdeckt wurde; doch die Wissenschaftler wissen immer noch nicht genau, woraus es bestand oder woher es kam.

Neue Forschungsergebnisse, die Physical Review Letters veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass einige dieser rekordbrechenden kosmischen Strahlen aus Atomkernen bestehen könnten, die schwerer als Eisen sind. Atomkerne sind die dichten Zentren, die aus Protonen und Neutronen bestehen und fast die gesamte Masse eines Atoms enthalten.

Schwerste Kerne könnten extreme kosmische Strahlung erklären. Die Forscher haben festgestellt, dass diese ultrschweren Kerne sich im intergalaktischen Raum langsamer als Protonen oder leichtere Kerne energieentladen.

Technik, Energie und Einsatz

Dies könnte es ihnen ermöglichen, enorme kosmische Distanzen zurückzulegen und dennoch mit außergewöhnlich hohen Energien die Erde zu erreichen.

Die Studie involvierte Wissenschaftler vom Yukawa-Institut für Theoretische Physik Japan, der Virginia Tech sowie weiterer Institutionen und könnte dazu beitragen, die Suche nach den kosmischen Umgebungen einzugrenzen, die in der Lage sind, solche Teilchen zu beschleunigen. „Ultrahochenergetische kosmische Strahlung kann nur durch einige der stärksten Quellen Universum beschleunigt werden", sagte Kohta Murase, Professor für Physik sowie für Astronomie und Astrophysik Eberly College Science der Penn State und Leiter des Forschungsteams. "Wenn wir einzelne kosmische Strahlungsteilchen wie das Amaterasu-Teilchen hier auf der Erde nachweisen, können wir häufig anhand ihrer Energien, Ankunftsrichtungen und der erwarteten magnetischen Ablenkung ihre möglichen kosmischen Quellen ableiten." Allerdings scheint das Amaterasu-Teilchen aus einem riesigen kosmischen Leerraum zu stammen, in dem keine offensichtliche Quelle existiert, die ultrahochenergetische kosmische Strahlung erzeugen könnte.

Ein 60-jähriges Rätsel der Astrophysik. "Die Ursprünge und Beschleunigungsmechanismen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung gehören seit der ersten Meldung eines solchen Teilchens zu den größten Geheimnissen des Fachgebiets – das sind über 60 Jahre her," Murase.

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Diese Teilchen tragen Energien von über 100 Exa-Elektronenvolt, also 100 Quintillionen Elektronenvolt. Damit sind sie etwa 10 Millionen Mal energiereicher als Teilchen, die Large Hadron Collider, dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, beschleunigt werden.

Nur der Amaterasu-Teilchen erreichte etwa 240 Exa-Elektronenvolt und besaß eine kinetische Energie, die der eines schnell bewegten Tennisballs entspricht, der auf einen einzigen Teilchen konzentriert ist. „Diese höchstenergetischen kosmischen Strahlungsteilchen stammen vermutlich aus extremen astrophysikalischen Quellen, wie etwa dem Zusammenstoß zweier Neutronensterne oder dem Kollaps eines massereichen Sterns", sagte Murase. „Bei vielen kosmischen Strahlungsereignissen gemeinsam liefern ihre Energiedistribution, das Ankunftsrichtungsmuster und die statistisch abgeleitete Zusammensetzung wichtige Hinweise darauf, wo diese Teilchen ihren Ursprung haben und wie sie beschleunigt werden." Simulation der Teilchenbewegung Weltraum Um zu untersuchen, welche Teilchen bei solch enormen Energien den Weg zur Erde überstehen könnten, führten die Forscher detaillierte Computersimulationen durch, die verfolgen, wie Teilchen unterschiedlicher Masse ihre Energie verlieren, während sie sich durch den intergalaktischen Raum bewegen. „Unsere Forschung zeigt, dass bei Energien, die denen des Amaterasu-Teilchens entsprechen, ultrschwere Kerne ihre Energie langsamer verlieren als Protonen oder Kerne mittlerer Masse.

Dadurch sind sie besser in der Lage, kosmische Distanzen zu überstehen und mit extremen Energien die Erde zu erreichen", sagte Murase. „Wir behaupten nicht, dass alle ultrahochenergetischen kosmischen Strahlen ultrschwere Kerne sind.

Was die Studie zeigt

Wenn jedoch einige der höchstenergetischen Ereignisse auf ultrschwere Kerne zurückzuführen sind, hätte dies Auswirkungen darauf, wie wir nach ihren Quellen suchen." Die Studie hat zudem neue Grenzen für den Beitrag dieser ultrschweren Kerne zur Gesamtbevölkerung der auf der Erde detektierten ultrahochenergetischen kosmischen Strahlen festgelegt.

Schwarze Löcher und Neutronensterne als wahrscheinliche Quellen „Die vielversprechendsten Orte für die Entstehung und Beschleunigung solcher ultrschwerer Kerne sind der Tod massereicher Sterne, der durch einen explosiven Kollaps Schwarzen Löchern oder stark magnetisierten Neutronensternen erfolgt, sowie Verschmelzungen, die als leistungsfähige Gravitationswellenquellen bekannt sind", sagte Murase.

Diese gewaltigen kosmischen Phänomene können auch Gammastrahlenausbrüche antreiben, die zu den energiereichsten Explosionen Universum zählen. Beiträge dieser Quellen könnten zudem helfen, einen möglicherweise beobachteten Unterschied zwischen dem nördlichen und südlichen Himmel Spektrum der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung zu erklären.

Technik, Energie und Einsatz

Wenn ultrschwere Kerne bei den höchsten Energien einen signifikanten Anteil beitragen, sollten zukünftige Daten eine Zusammensetzung schwerer als Eisen anzeigen.

Murase sagte, dass zukünftige Observatorien, darunter das vorgeschlagene AugerPrime-Projekt Argentinien und die Global Cosmic Ray Observatory, möglicherweise in der Lage sein werden, diese Vorhersagen zu testen.

Weitere Untersuchungen Löchern und stark magnetisierten Neutronensternen könnten Wissenschaftlern ebenfalls dabei helfen, besser zu verstehen, wo diese außergewöhnlichen kosmischen Strahlen ihren Ursprung haben. Quelle: „Ultraheavy Ultrahigh-Energy Cosmic Rays", Kohta Murase, Nick Ekanger, Mukul Bhattacharya und Shunsaku Horiuchi, 7.

Mai 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/221m-gvs3