Hotspot kosmischer Strahlung entdeckt

Strahlender Hotspot: Astronomen haben eine Stelle am Himmel entdeckt, von der besonders viel extrem energiereiche kosmische Strahlung ausgeht. Noch ist nicht klar, was genau die Quelle dieser Strahlung ist – ob Supernovae, aktive Galaxienkerne oder sogar exotische, bisher unbekannte Vorgänge. Der neu entdeckte Hotspot könnte aber helfen, den bisher rätselhaften Ursprung dieses kosmischen Bombardements zu klären, hoffen die Astronomen.

Die Erde wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Ein Teil dieser energiereichen Teilchen, meist Protonen oder Kerne von etwas größeren Atomen, stammen von der Sonne und benachbarten Sternen. Doch ein Großteil der kosmischen Strahlung – dazu gehören vor allem die Teilchen mit Energien oberhalb von einer Milliarde Gigaelektronenvolt (GeV) – hat seinen Ursprung woanders. Wo, ist aber seit Jahrzehnten ungeklärt, wie Gordon Thomson von der University of Utah in Salt Lake City und seine Kollegen erklären.

Spurensuche in der Wüste

Als mögliche Quellen gelten aktive Galaxienkerne, in denen Schwarze Löcher Materie verschlingen und dabei große Mengen Energie freisetzen. Aber auch Gammastrahlenausbrüche, kollidierende Galaxien oder noch unbelegte physikalische Phänomene wie zerfallende kosmische Strings werden diskutiert. Im Rahmen des Telescope Array Projekts arbeitet eine Gruppe von 125 Astronomen seit Jahren daran, die Quellen dieser energiereichsten kosmischen Strahlung ausfindig zu machen.

Dafür nutzen die Forscher ein in Utah stehendes System aus drei jeweils 35 Kilometer auseinander stehenden Fluoreszenzdetektoren, die das schwache Aufblitzen registrieren, das eine Kollision von kosmischen Teilchen mit Stickstoffmolekülen in der Luft erzeugt. 523 über gut 700 Quadratkilometer verteilte Szintillationsdetektoren zeichnen die geladenen Teilchen auf, die als Folge dieser Kollision durch Sekundärzerfälle entstehen. Aus der Verteilung und Richtung dieser Reaktionskaskaden lässt sich rekonstruieren, wie die kosmische Strahlung verteilt ist und woher sie kommt.

Karte des Nordhimmels mit dem Hotspot der kosmischen Strahlung © Kazumasa Kawata/ University of Tokyo

Hotspot beim Großen Wagen

Die Daten aus den ersten fünf Jahren des Projekts – von Mai 2008 bis Mai 2013 – haben die Astronomen jetzt ausgewertet – mit einem ersten ermutigenden Ergebnis: Während der fünf Jahre registrierte das Telescope Array 79 kosmische Strahlenpulse oberhalb von 57 Milliarden Gigaelektronenvolt, wie die Forscher berichten. 19 von ihnen aber kamen aus einer ganz bestimmten Richtung: einem rund 40 Grad großen Bereich am Himmel, der einige Hand breit unter der Deichsel des Großen Wagens liegt.

„Ein Viertel der Ereignisse kam aus diesem Gebiet statt nur sechs Prozent, wie es bei einer zufälligen Verteilung normal wäre“, sagt Thomson. Dies spreche dafür, dass es in diesem Hotspot irgendetwas geben muss, das diese extrem energiereiche Strahlung erzeugt. Allerdings: „In diesem Areal liegt alles Mögliche, verschiedenste Arten von Objekten, die eine Quelle dieser Strahlung sein könnten. Aber immerhin wissen wir jetzt genauer, wo wir suchen müssen“, so der Astronom.

Lage spricht gegen Strings und Co

Nach Ansicht der Forscher gibt die Lage des Hotspots zumindest erste Hinweise auf die rätselhafte Quelle: Er liegt nahe der „supergalaktischen Ebene“ – dem Bereich des Weltalls, in dem der Virgo-Galaxienhaufen seine größte Dichte hat. Die Milchstraße liegt am Rand dieses Haufens. Die energiereichste kosmische Strahlung geht demnach von einem Gebiet aus, in dem sich auch die meiste Materie konzentriert. „Demnach ist es zumindest wahrscheinlich, dass diese Strahlung von sichtbarer Materie kommt – und nicht von exotischen Prozessen wie kosmischen Strings“, sagt Thomson.

Um die Quelle nun näher einzuengen, wollen die Wissenschaftler ihr Array weiter ausbauen, indem sie die Zahl der Szintillations-Detektoren verdoppeln und diese weiter auseinander stellen. Dadurch könnte man bis zu vier Mal mehr ultra-energiereiche kosmische Strahlenpulse pro Jahr einfangen als bisher, wie die Forscher erklären. „Mit mehr Ereignissen steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass wir mehr Struktur im Hotspot erkennen und das könnte uns auf die Spur der tatsächlichen Quelle der Strahlung führen“, so Thomson. (Astrophysical Journal Letters, in press)

(University of Utah, 08.07.2014 – NPO)