Künstlerische Darstellung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung im Gegensatz zu einer schwächeren kosmischen Strahlung, die von elektromagnetischen Feldern beeinflusst wird
Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
„Amaterasu“

Neue kosmische Strahlung gibt Rätsel auf

Ein internationales Forschungsteam hat extrem energiereiche kosmische Strahlung beobachtet, die aus den Tiefen des Universums zur Erde gelangt ist. Stärker als das nun „Amaterasu“ benannte Phänomen soll bisher nur das 1991 entdeckte „Oh My God“-Teilchen gewesen sein. Wo „Amaterasu“ seinen Ursprung hat, stellt Astrophysiker und Astrophysikerinnen aber vor ein Rätsel.

Kosmische Strahlung besteht aus energiereichen, geladenen Teilchen – sie kann von der Sonne, aus der Milchstraße und auch aus anderen Galaxien kommen. Die Teilchen reisen durch den Kosmos und regnen fast ständig auch auf die Erde nieder. Extrem hohe Energie, wie sie beim „Amaterasu“-Teilchen gemessen wurde, ist allerdings außergewöhnlich selten.

Am 27. Mai 2021 traf „Amaterasu“ auf der Erde ein, wie das Forschungsteam nun im Fachjournal „Science“ schreibt. Es hatte eine berechnete kinetische Energie von etwa 244 EeV (Exaelektronenvolt). Damit zählt das „Amaterasu“-Teilchen zu den äußerst selten auftretenden ultrahochenergetischen kosmischen Teilchen, deren Energie zehn- bis hundertmillionenfach stärker ist als vom Menschen hergestellte Teilchenbeschleuniger erzeugen können.

„Als ich diese ultrahochenergetische kosmische Strahlung beobachtete, dachte ich, es müsse sich um einen Irrtum handeln, weil sie ein Energieniveau aufwies, das in den letzten drei Jahrzehnten beispiellos ist“, so Studienautor Toshihiro Fujii von der Osaka Metropolitan University in einer Aussendung. Zusammen mit seinem Team gab der Forscher dem Teilchen den Namen „Amaterasu“, nach der Sonnengöttin der japanischen Shinto-Religion.

Detektor in der Wüste von Utah

Entdeckt wird kosmische Strahlung, wenn die von ihr ausgelösten Luftschauer von der Erde aus beobachtet werden, etwa – wie bei „Amaterasu“ – mit dem „Telescope Array“-Detektor in der Wüste des US-Bundesstaats Utah. Seit 2008 wird hier Jagd auf das seltene Phänomen gemacht. Die Lage in der Wüste bietet ideale Bedingungen dafür: trockene Luft, weil Feuchtigkeit das für die Entdeckung notwendige ultraviolette Licht absorbieren würde, und einen dunklen Nachthimmel, damit die Teilchen nicht durch Lichtverschmutzung verdeckt werden.

Visualisierung des „Amaterasu-Teilchen“
Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
Visualisierung des „Amaterasu“-Teilchens

Das von der Universität Utah und der Universität Tokio geleitete Projekt besteht aus 507 Detektorstationen, die in einem quadratischen Raster angeordnet sind. Dieser erstreckt sich über eine Fläche von 700 Quadratkilometern. Die großflächige Anordnung ermöglicht es, Energie und Einfallsrichtung der Teilchenstrahlung zu rekonstruieren.

„Noch unbekannte Teilchenphysik“

In der nun in „Science“ erschienenen Studie beschreibt das Forschungsteam das „Amaterasu“-Teilchen, bewertet seine Eigenschaften und kommt zu dem Schluss, dass die energiereiche kosmische Strahlung einer noch unbekannten Teilchenphysik folgen könnte. Denn den Messungen nach scheint „Amaterasu“ aus der Lokalen Leere gekommen zu sein – einer ausgedehnten, leeren Region des Weltraums, die an die Milchstraße grenzt.

„Dort gibt es nichts, das energiereich genug wäre, um die kosmische Strahlung zu erzeugen. Das ist das Rätsel an der Sache“, so der Physiker und Studienkoautor John Matthews von der Universität Utah, der im „Teleskop Array“-Projekt forscht.

„Oh My God“-Teilchen gibt seit 1991 Rätsel auf

Vergleichbar ist „Amaterasu“ nur mit dem „Oh My God“-Teilchen. Es wurde 1991 vom „Fly’s Eye“-Detektor der Universität Utah entdeckt und hatte eine noch höhere berechnete kinetische Energie: 320 EeV. „Oh My God“ überraschte damals die Astrophysikwelt. Ebenso verhält es sich nun über 30 Jahre später mit „Amaterasu“. Teilchen mit der Energie von „Oh My God“ und „Amaterasu“ schießen relativ ungebremst durch den Kosmos. Man könnte also davon ausgehen, dass ihr Ursprung mit den energiereichsten Ereignissen im Universum zusammenhängt: mit schwarzen Löchern, Gammastrahlenausbrüchen, aktiven Galaxienkernen und Supernovae etwa.

Aufgezeichnetes Signal des „Amaterasu“-Teilchens

Aber sogar diese Ereignisse sind laut dem Forschungsteam bei weitem nicht energiereich genug, um eine derartige kosmische Strahlung hervorzubringen. Einerseits ist also nichts in der Milchstraße dazu in der Lage, die Energie von „Oh My God“ und „Amaterasu“ zu erzeugen, andererseits haben die Teilchen aber mehr Energie, als kosmische Strahlung, die aus anderen Galaxien zur Erde reist, haben kann – zumindest theoretisch. Die Teilchen sollten also eigentlich gar nicht existieren.

„Es wurde noch kein vielversprechendes astronomisches Objekt identifiziert, das in die Richtung passt, aus der die kosmische Strahlung gekommen ist. Das lässt auf unbekannte astronomische Phänomene und neue physikalische Ursprünge jenseits des Standardmodells schließen“, so Fujii.

Die Suche geht weiter

Das internationale Forschungsteam des „Teleskop Array“-Projekts hofft, dass die weitere Erforschung des „Amaterasu“-Teilchens mehr Licht in die Frage nach Ursprung und Ausbreitung dieser seltenen, ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung bringen wird. Außerdem soll der Oberflächendetektor des Projekts in der Wüste von Utah um 500 neue Detektorstationen erweitert werden. Damit können Luftschauer, die durch die kosmische Strahlung ausgelöst werden, auf einer Fläche von 2.900 Quadratkilometern – statt wie bisher 700 – erfasst werden. So sollen in Zukunft mehr Ereignisse wie „Oh My God“ und „Amaterasu“ beobachtet werden können – um das Rätsel des Ursprungs der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung eines Tages zu lösen.