Supernovae produzieren Großteil der kosmischen Strahlung

Seit langem wurde es vermutet, nun liegt der Beweis vor: Explodierende Sterne erzeugen den größten Teil der sogenannten kosmischen Strahlung. Dabei handelt es sich um hochenergetische Teilchen – hauptsächlich Protonen – die mit großer Geschwindigkeit aus dem Weltall kommend in die irdische Atmosphäre eindringen und dort ganze Teilchenschauer auslösen können. Beobachtungen mit dem Satellitenobservatorium Fermi zeigen nun erstmals, wie zwei Supernovae Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Im Fachblatt „Science“ berichtet ein internationales Forscherteam über die Ergebnisse der vierjährigen Messungen.

Zwei Bilder im Gammastrahlenbereich, auf beiden sind hell leuchtende Areale in einer dunkleren Umgebung zu sehen, die die Supernova-Überreste darstellen. Im Hintergrund ist ein Strahlenhintergrund des Universums zu sehen.
Supernova-Überreste IC 433 und W44

„Die Energie dieser Protonen übertrifft alles, was selbst die größten Teilchenbeschleuniger auf der Erde produzieren können“, sagt Teamleiter Stefan Funk von der Stanford University in Kalifornien. „Im vergangenen Jahrhundert haben wir eine Menge über die bei uns eintreffende kosmische Strahlung gelernt. Wir haben gut begründete Vermutungen über den Ursprung ihrer Beschleunigung gehabt. Doch bislang fehlte uns ein eindeutiger Beweis.“

Das Problem: Protonen sind elektrisch geladen. Deshalb verlaufen ihre Flugbahnen nicht gradlinig. Magnetfelder lenken die Teilchen ab und machen es den Forschern so unmöglich, aus der Ankunftsrichtung der Protonen auf ihre Herkunft zu schließen. Deshalb mussten die Astrophysiker einen indirekten Beweisweg einschlagen. Und hier kommt der Fermi-Satellit ins Spiel, ein Spezialteleskop, das im hochenergetischen Bereich der Gammastrahlung beobachtet.

Supernovae beschleunigen Protonen mithilfe von Stoßwellen und Magnetfeldern auf ihre hohe Energie. Ein Teil der hochenergetischen Protonen stößt in der Umgebung des explodierenden Sterns mit langsamen Protonen des interstellaren Gases zusammen. Dabei entsteht – über den Umweg eines exotischen Elementarteilchens, dem neutralen Pion – Gammastrahlung. Und genau diese verräterische Gammastrahlung hat Fermi bei zwei Supernovae-Überresten nachgewiesen.

Von 2008 bis 2012 beobachteten Funk und seine Kollegen die 5000 beziehungsweise 10.000 Lichtjahre entfernten Supernova-Überreste IC 443 im Sternbild Zwillinge und W44 im Sternbild Adler. Die Astronomen schätzen, dass die beiden Sterne vor rund 20.000 Jahren explodiert sind. Bei beiden Objekten gelang es, die Gammastrahlung nachzuweisen, die durch beim Zerfall der Pionen entsteht. „Damit haben wir eindeutig gezeigt, dass Supernovae die kosmische Strahlung beschleunigen“, so Funk. „Als nächstes müssen wir nun herausfinden, wie sie das ganz genau machen – und wie groß die maximale Energie bei diesem Prozess ist.“