Astronomen haben sich lange gefragt, wo in unserer Galaxie hochenergetische kosmische Strahlung entsteht. Neue Beobachtungen mit Hilfe des Observatoriums Cherenkov-Experiment mit Wasser in großer Höhe (HAWC) einen fast unmöglichen Kandidaten entdeckt: Eine riesige Molekülwolke ist sonst ein häufiges Phänomen.
Kosmische Strahlen sind überhaupt keine Strahlen, sondern winzige Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum bewegen. Sie können aus Elektronen, Protonen oder sogar Ionen schwererer Elemente bestehen. Sie entstehen in allen möglichen hochenergetischen Prozessen im ganzen Kosmos, von Supernova-Explosionen bis hin zu Sternverschmelzungen und sogar, wenn ein Schwarzes Loch Gas ansaugt. Kosmische Strahlen treten in einer Vielzahl von Energien auf, und im Allgemeinen sind energiereichere kosmische Strahlen weniger verbreitet als ihre energieärmeren Cousins. Dieses Verhältnis ändert sich sehr geringfügig bei einer bestimmten Energie - 10^15 Elektronenvolt - die als "Knie" bezeichnet wird. Das Elektronenvolt oder eV ist einfach die Methode, mit der Teilchenphysiker gerne Energieniveaus messen. Zum Vergleich: Der stärkste Teilchenbeschleuniger der Erde, der Large Hadron Collider, kann 13×10^12 eV erreichen, was oft als 13 Teraelektronenvolt oder 13 TeV bezeichnet wird.
Kosmische Strahlung mit einer Energie über 10-15 eV ist viel seltener als man erwarten könnte. Dies hat Astronomen zu der Annahme veranlasst, dass kosmische Strahlung auf diesem Energieniveau und darüber von außerhalb der Galaxie kommt, während Prozesse in der Milchstraße in der Lage sind, kosmische Strahlung bis einschließlich 10–15 eV zu erzeugen. Was auch immer diese kosmische Strahlung erzeugt, wird im „Peta“-Bereich liegen und daher mehr als 1000 Mal stärker sein als unsere besten Teilchenbeschleuniger – die natürlichen „Pevatrons“, die die Galaxie durchstreifen.
Die Mission ist einfach: Finden Sie die Quelle der kosmischen Strahlung im PEV-Maßstab in der Milchstraße. Aber trotz ihrer Energie ist es schwierig, ihre Herkunft zu bestimmen. Das liegt daran, dass kosmische Strahlung aus geladenen Teilchen besteht und geladene Teilchen, die sich im interstellaren Raum bewegen, auf das Magnetfeld unserer Galaxie reagieren. Wenn Sie also einen hochenergetischen kosmischen Strahl aus einer bestimmten Richtung am Himmel kommen sehen, haben Sie wirklich keine Ahnung, woher er tatsächlich kam - sein Weg wurde auf seiner Reise zur Erde verdreht und verzerrt. Aber anstatt direkt nach kosmischer Strahlung zu suchen, können wir nach ihren Verwandten suchen.
Wenn kosmische Strahlen versehentlich auf eine Wolke aus interstellarem Gas treffen, können sie Gammastrahlen aussenden, eine hochenergetische Form von Strahlung. Diese Gammastrahlen durchqueren die Galaxie in einer geraden Linie, sodass wir ihre Herkunft direkt bestimmen können. Wenn wir also eine starke Gammastrahlenquelle sehen, können wir nach nahe gelegenen Quellen kosmischer PEV-Strahlung suchen.
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Diese Methode wurde von einer Gruppe von Forschern mit dem HAWC verwendet, das sich auf dem Vulkan Sierra Negra in Süd-Zentral-Mexiko befindet. HAWC „schaut“ neben mit Reinstwasser gefüllten Tanks in den Himmel. Wenn hochenergetische Teilchen oder Strahlung auf die Reservoirs treffen, senden sie einen blauen Lichtblitz aus, der es Astronomen ermöglicht, die Quelle am Himmel zu verfolgen.
In einem kürzlich in der Zeitschrift arXiv veröffentlichten Artikel haben Astronomen detailliert eine Quelle von Gammastrahlen identifiziert, die 200 TeV überschreiten und nur von noch stärkerer kosmischer Strahlung erzeugt werden können – der Art von kosmischer Strahlung, die die PEV-Skala erreicht. Die Quelle mit dem Namen HAWC J1825-134 befindet sich ungefähr im Zentrum der Galaxis. HAWC J1825-134 erscheint uns als heller Gammastrahlenfleck, der von einer unbekannten Quelle kosmischer Strahlung beleuchtet wird – möglicherweise der stärksten bekannten Quelle kosmischer Strahlung in der Milchstraße.
Mehrere übliche Quellen hochenergetischer kosmischer Strahlung befinden sich innerhalb weniger tausend Lichtjahre von HAWC J1825-134, aber keiner von ihnen kann das Signal einfach erklären. Beispielsweise ist das galaktische Zentrum selbst ein bekannter Erzeuger intensiver kosmischer Strahlung, aber es ist zu weit von HAWC J1825-134 entfernt, um für diese Messungen relevant zu sein. Es gibt einige Supernova-Überreste, und die Supernovas sind zweifellos sehr mächtig. Aber alle Supernovae in der Region von HAWC J1825-134 sind vor langer Zeit explodiert – zu lange her, um diese hochenergetische kosmische Strahlung jetzt zu erzeugen.
Pulsare – die dichten, schnell rotierenden Überreste der Kerne massereicher Sterne – produzieren ebenfalls reichlich kosmische Strahlung. Aber auch sie sind zu weit von der Quelle der Gammastrahlung entfernt - der Energie von Elektronen und Protonen, die vom Pulsar kommen - sie sind einfach nicht hoch genug, um Tausende von Lichtjahren bis zu dem Ort zu reisen, an dem die Gammastrahlung emittiert wird.
Überraschenderweise stellte sich heraus, dass die Quelle dieser rekordverdächtigen kosmischen Strahlung nichts anderes als eine riesige Molekülwolke war. Diese Wolken sind riesige, ungeschickte Kreaturen, die mit Staub und Gas gefüllt sind und die Galaxie durchstreifen. Manchmal ziehen sie sich zusammen und werden zu Sternen, aber ansonsten können sie Milliarden von Jahren ruhig und locker bleiben.
Im Inneren des Wolkenkomplexes befindet sich eine Ansammlung neugeborener Sterne, aber selbst die schicksten und lautesten jungen Sterne sind nicht stark genug, um solche kosmischen Strahlen auszusenden. Die Forscher selbst geben zu, dass sie nicht wissen, wie diese Wolke das macht, aber irgendwie, als niemand darauf achtete, erzeugte sie einige der stärksten Teilchen in der gesamten Galaxie.
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