Erzeugung von Protonen und Gammastrahlung

Hochenergetische Protonen stammen aus galaktischem Zentrum

Die hochenergetischen Protonen der kosmischen Strahlung stammen vermutlich vom supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Das zeigen langjährige Beobachtungen mit dem speziellen Gammastrahlungsteleskop HESS in Namibia. Bislang hatten Astronomen erfolglos nach einer Quelle für Teilchen mit einer Energie von bis zu einer Billiarde Elektronenvolt gesucht. Zwar sei das Schwarze Loch derzeit nicht aktiv genug, um die hochenergetische kosmische Strahlung zu produzieren. Doch könnte die Aktivität in den vergangenen Millionen Jahren ausreichen, um die hochenergetischen Protonen zu erklären, so das internationale HESS-Team im Fachblatt „Nature“.

Ein großes und vier kleine aus Facetten aufgebaute Spiegelteleskope.
Teleskopanlage HESS

„Im Zentrum der Milchstraße gibt es einen natürlichen Beschleuniger, der Protonen auf Energien bis zu einem Petaelektronenvolt – einer Billiarde Elektronenvolt – beschleunigt“, fasst Emmanuel Moulin von der Universität Montpellier in Frankreich die Ergebnisse der Messungen zusammen, „und das kontinuierlich seit mindestens tausend Jahren.“ Teilchen mit hohen Energien – kosmische Strahlung genannt – prasseln aus allen Richtungen beständig auf die Erdatmosphäre ein. Zwar konnten die Forscher zahlreiche Quellen aufspüren, die Teilchen mit Energien von bis zu hundert Billionen Elektronenvolt produzieren. Doch diese Quellen – vor allem Überreste explodierter Sterne – liefern keine Erklärung für Protonen mit noch höheren Energien.

Treffen die hochenergetischen Protonen auf Atome des interstellaren Gases, so entsteht charakteristische Gammastrahlung. Nach dieser Gammastrahlung fahnden die Astronomen mit der Teleskopanlage „High Energy Stereoscopic System“, kurz HESS, in Namibia. Denn im Gegensatz zu den Protonen selbst breiten sich Gammastrahlen geradlinig aus und erlauben so Rückschlüsse auf ihren Herkunftsort. Die jetzt ausgewerteten Messungen aus den Jahren 2004 bis 2013 zeigen, dass die für Petaelektronenvolt-Protonen charakteristische Gammastrahlung vor allem aus einem Umkreis von 500 Lichtjahren um das galaktische Zentrum stammt.

Im Mittelpunkt der Milchstraße befindet sich ein Schwarzes Loch mit der viermillionenfachen Sonnenmasse. Vor allem in den sogenannten Jets könnten Protonen auf hohe Energien beschleunigt werden. In diesen durch Magnetfelder eng gebündelten Strahlen schleudern Schwarze Löcher einen Teil der in sie einfallenden Materie wieder weit ins Weltall hinaus. Allerdings fällt derzeit viel zu wenig Materie in das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße hinein, um eine große Zahl hochenergetischer Protonen zu erzeugen. Zahlreiche Phänomene – wie Röntgenausbrüche und großräumige Materieströme – zeigen jedoch, dass das Schwarze Loch in der Vergangenheit aktiver war. In diesen aktiven Phasen könnten dann auch die heute beobachteten Protonen mit hohen Energien entstanden sein.