Die Herkunft mysteriöser Strahlung entschlüsseln
Erklärt ein Schwarzes Loch das Rätsel der hochenergetischen kosmischen Strahlung?
Im All rast eine unsichtbare Flut von Teilchen – sogenannte kosmische Strahlung – mit annähernder Lichtgeschwindigkeit durch den Raum. Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass einige dieser Teilchen eine unvorstellbar hohe Energie tragen. Woher sie kommen, bleibt eines der großen Rätsel der Astrophysik. Eine Forschergruppe der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) hat nun eine neue Theorie vorgelegt – mit Schwarzen Löchern in ihrem Zentrum.
Könnten Schwarze Löcher helfen, hochenergetische kosmische Strahlung zu erklären?
Interessanterweise sind „kosmische Strahlen“ keine Strahlen – dieser Name hat historische Gründe –, sondern kleine Teilchen, meist Atomkerne, die irgendwo im Universum auf enorme Energien beschleunigt werden.
Obwohl ihre Quellen noch nicht vollständig geklärt sind, stehen sie höchstwahrscheinlich in Zusammenhang mit einigen der extremsten Umgebungen im Universum, wie Schwarzen Löchern, Supernovae oder rotierenden Neutronensternen (einer Art toter Sterne).
Gelegentlich haben kosmische Strahlen jedoch eine viel höhere Energie als üblich. Das wissen wir seit 1962, aber wir haben immer noch keine Ahnung, warum das so ist. Wir wissen auch nicht, woher diese ultrahochenergetische kosmische Strahlung kommt.
Nun könnte die Forschung der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) die Antwort auf diese große offene Frage der Physik gefunden haben.
Supermassereiche Schwarze Löcher könnten die Ursache sein
Foteini Oikonomou, außerordentliche Professorin am Fachbereich Physik der NTNU, arbeitet an diesem Fall. In einem kürzlich erschienenen Artikel präsentieren sie und ihre Kollegen eine völlig neue und plausible Erklärung für diese ultrahochenergetische Strahlung.
Wir vermuten, dass diese hochenergetische Strahlung durch Winde von supermassiven Schwarzen Löchern erzeugt wird.
Der Hauptautor ist der Doktorand Domenik Ehlert aus demselben Fachbereich. Zum Team gehört auch der Postdoktorand Enrico Peretti von der Université Paris Cité. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die Astroteilchenphysik, die die Beziehung zwischen den kleinsten Teilchen im Universum und den größten Phänomenen des Universums untersucht.
„Wir vermuten, dass diese hochenergetische Strahlung durch Winde von supermassereichen Schwarzen Löchern entsteht“, sagte Oikonomou.
Aber was bedeutet das überhaupt?
Die Milchstraße ist die Nachbarschaft im Universum, in der wir leben. Unsere Sonne und unser Sonnensystem sind Teil dieser Galaxie, zusammen mit mindestens 100 Milliarden anderen Sternen.
„Genau im Zentrum der Milchstraße befindet sich ein Schwarzes Loch namens Sagittarius-A*. Dieses Schwarze Loch befindet sich derzeit in einer ruhigen Phase, in der es keine Sterne verschlingt, da es in seiner Umgebung nicht genügend Materie gibt“, erklärt Peretti.
Im Gegensatz dazu stehen wachsende, supermassive, aktive Schwarze Löcher, die jedes Jahr bis zum Mehrfachen der Masse unserer Sonne verschlingen.
„Ein winziger Teil der Materie kann von der Kraft des Schwarzen Lochs weggedrückt werden, bevor sie hineingezogen wird. Dadurch erzeugen etwa die Hälfte dieser supermassiven Schwarzen Löcher Winde, die sich mit bis zur Hälfte der Lichtgeschwindigkeit durch das Universum bewegen“, so Peretti.
Diese gigantischen Winde sind seit etwa zehn Jahren bekannt. Die Winde dieser Schwarzen Löcher können Galaxien beeinflussen. Indem sie Gase wegblasen, können sie beispielsweise die Entstehung neuer Sterne verhindern. Das allein ist schon dramatisch genug, aber Oikonomou und ihre Kollegen haben sich mit etwas anderem beschäftigt, das viel kleiner ist und durch diese Winde verursacht werden könnte.
„Es ist möglich, dass diese starken Winde die Teilchen beschleunigen, die die ultrahochenergetische Strahlung erzeugen“, sagte Ehlert.
Um dies zu verstehen, müssen wir auch ein wenig über Atome erklären.
Atome und enorme Energiemengen
Atome bestehen aus einem Kern, der aus Protonen und Neutronen aufgebaut ist. Diese Teilchen bestehen aus Quarks, aber darauf müssen wir jetzt nicht näher eingehen.
Um diesen Kern herum befinden sich in der sogenannten Wolke ein oder mehrere Elektronen.
„Die ultrahochenergetische Strahlung besteht aus Protonen oder Atomkernen mit einer Energie von bis zu 1020 Elektronenvolt“, erklärte Oikonomou.
Ein solches Teilchen, das kleiner als ein Atom ist, enthält etwa so viel Energie wie ein Tennisball, wenn Serena Williams ihn mit 200 Stundenkilometern serviert.
Wenn einem diese Zahl nichts sagt, sollte man wissen, dass es sich in diesem Zusammenhang um eine absolut enorme Energiemenge handelt.
„Ein solches Teilchen, das kleiner ist als ein Atom, enthält etwa so viel Energie wie ein Tennisball, wenn Serena Williams ihn mit 200 Stundenkilometern serviert“, sagte Oikonomou.
Das entspricht etwa einer Milliarde Mal mehr Energie als die Teilchen, die von Forschern im Large Hadron Collider in der Schweiz und in Frankreich erzeugt werden.
Glücklicherweise werden diese kosmischen Strahlen von der Erdatmosphäre zerstört. Wenn sie die Erdoberfläche erreichen, sind sie so harmlos wie alle anderen kosmischen Strahlen, die uns an der Erdoberfläche erreichen.
„Für Astronauten ist kosmische Strahlung jedoch ein sehr ernstes Problem“, so Oikonomou.
Flugpersonal muss sich darüber keine Gedanken machen, da es nicht hoch genug fliegt.
„Die größte Sorge für Astronauten ist die kosmische Niedrigenergiestrahlung, die von unserer eigenen Sonne erzeugt wird, da sie viel häufiger auftritt. Die von uns untersuchten Strahlen sind so selten, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass sie einen Astronauten durchdringen“, erklärte sie.
Andere Verdächtige
Bisher haben Forscher untersucht, ob diese hochenergetischen Teilchen von Gammastrahlenausbrüchen stammen, von Galaxien, in denen extrem schnell neue Sterne entstehen, oder von Plasmaausflüssen aus supermassiven Schwarzen Löchern.
Oikonomou und ihre Kollegen haben jedoch eine andere Hypothese.
„Alle anderen Hypothesen sind sehr gute Vermutungen – es handelt sich dabei um Quellen, die viel Energie enthalten. Aber niemand hat Beweise dafür geliefert, dass eine davon die Quelle ist. Deshalb haben wir beschlossen, die Winde aus den supermassiven Schwarzen Löchern zu untersuchen“, sagte Ehlert.
Schuldig? Vielleicht
Was wissen wir also tatsächlich? Sind es die Winde, die die hochenergetischen Teilchen in der kosmischen Strahlung erzeugen?
Wenn Forscher solche Fragen stellen, sind sie oft begeistert und denken: „Ja, das könnte es sein!“
„Unsere Antwort ist eher ein vorsichtiges ‚Vielleicht‘“, sagte Oikonomou.
Das klingt nicht besonders dramatisch. Wenn Forscher solche Fragen stellen, sind sie jedoch oft begeistert und denken: „Ja, das könnte es sein!“, aber das bedeutet nicht, dass es in diesem Fall auch so ist.
„Wir stellen fest, dass die Bedingungen für diese Winde besonders gut mit der Teilchenbeschleunigung übereinstimmen. Aber wir können noch nicht beweisen, dass es genau diese Winde sind, die die Teilchen hinter der hochenergetischen kosmischen Strahlung beschleunigen“, so Oikonomou.
Das Modell der Forscher kann jedoch einen bestimmten Aspekt dieser Teilchen erklären, den wir noch nicht verstehen. Innerhalb eines bestimmten Energiebereichs haben die Teilchen eine chemische Zusammensetzung, die mit anderen Modellen nicht sinnvoll erklärt werden kann.
„Wir können das Modell auch mit Neutrino-Experimenten testen“, sagte Oikonomou.
Das ist jedoch ein Thema für einen ganz anderen Artikel.
„In den kommenden Jahren hoffen wir, mit Neutrino-Astronomen zusammenzuarbeiten, um unsere Hypothese zu überprüfen“, sagte Oikonomou. Vielleicht finden sie dann weitere Beweise, in die eine oder andere Richtung.
Die Studie dazu erschien in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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