Schematische Darstellung eines Teilchenschauers und mehrerer Detektoren.

Kosmische Teilchen mit extragalaktischem Ursprung

Permanent treffen elektrisch geladene Teilchen aus dem Weltall auf die Atmosphäre der Erde. Ein Teil davon stammt von unserer Sonne. Doch insbesondere die Herkunft der energiereichsten Partikel dieser kosmischen Strahlung ist bislang ungeklärt. Über mehr als zwölf Jahre andauernde Messungen mit dem Pierre-Auger-Observatorium – einer großen Detektoranlage in Argentinien – zeigen jetzt, dass die extrem hochenergetische kosmische Strahlung ihren Ursprung außerhalb der Milchstraße hat, also aus weit entfernten Galaxien stammt. Die nun im Fachblatt „Science“ veröffentlichten Ergebnisse widerlegen die bislang von vielen Forschern favorisierte These, dass die extrem energiereichen Teilchen aus der Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum kommen.

Dringen die kosmischen Teilchen in die Erdatmosphäre ein, stoßen sie auf Atome und lösen dadurch Teilchenschauer aus sogenannten Sekundärteilchen aus, die über eine Fläche von mehr als vierzig Quadratkilometern niedergehen. Diese Teilchenschauer detektiert das Pierre-Auger-Observatorium in der argentinischen Pampa mit 1600 Teilchendetektoren, die jeweils 1,5 Kilometer voneinander entfernt auf einem insgesamt 3000 Quadratkilometer großen Gebiet verteilt sind. Zusätzlich registrieren 24 Teleskope die von den Teilchen in der Atmosphäre angeregte Fluoreszenzstrahlung der Stickstoffmoleküle. Über 400 Forscher aus 18 Ländern beteiligen sich am Betrieb der Anlage und an der Auswertung der gesammelten Daten.

Farbstufendarstellung der Häufigkeit hochenergetischer Teilchen.
Anisotropie der extrem hochenergetischen kosmischen Strahlung

Im Zeitraum von der Inbetriebnahme des Observatoriums im Januar 2004 bis August 2016 registrierten die Detektoren 30 000 Teilchenschauer, die von kosmischen Partikeln mit einer Energie von über 8 Exaelektronenvolt – also über 8 × 1018 Elektronenvolt – stammen. Die jetzt veröffentlichte Auswertung dieser Daten zeigt, dass die extrem energiereichen Teilchen weder gleichmäßig aus allen Richtungen auf die Erde treffen, noch bevorzugt aus der Richtung des Zentrums der Milchstraße. Stattdessen zeigen die Ergebnisse eine Anisotropie, eine statistisch signifikante Überhäufigkeit von kosmischen Partikeln, aus einer Richtung, die um 90 Grad vom galaktischen Zentrum entfernt ist.

Da die Häufung außerhalb der Scheibe der Milchstraße liegt, sehen die Wissenschaftler die Anisotropie als Beweis für einen extragalaktischen Ursprung der extrem energiereichen kosmischen Strahlung. Die Forscher haben deshalb ihr Ergebnis mit der Verteilung der Galaxien am Himmel verglichen. Diese zeigt eine Überhäufigkeit in eine Richtung, die zwar um 55 Grad von der Häufung der kosmischen Strahlung abweicht. Doch das Magnetfeld der Milchstraße lenkt die Teilchen der kosmischen Strahlung ab – die auf der Erde beobachtete Herkunftsrichtung entspricht also nicht exakt der ursprünglichen Richtung, aus der die Teilchen kommen. Einfache Modelle des galaktischen Magnetfelds zeigen, dass dieser Effekt genau zu einer Verschiebung von der Überhäufigkeit der Galaxien zur beobachteten Überhäufigkeit der energiereichen Teilchen führt.

Allerdings sei trotzdem weiterhin unklar, welche physikalischen Prozesse Teilchen mit derart hohen Energien erzeugen können. „Wir nähern uns damit einer Lösung des Rätsels, wo und durch welche Vorgänge diese außergewöhnlichen Teilchen entstehen. Eine Frage, die für die Astrophysik von großer Bedeutung ist“, erklärt der Sprecher der Forschungsgruppe des Observatoriums, Karl-Heinz Kampert von der Universität Wuppertal.