Visualisierung des H.E.S.S.-Teleskop-Arrays, das die Teilchenschauer einfängt, die von hochenergetischen kosmischen Elektronen und Positronen sowie von Gammastrahlen erzeugt werden (Bildnachweis: Kollaboration MPIK/H.E.S.S.)
Nach über einem Jahrzehnt akribischer Datenerfassung haben Wissenschaftler des H.E.S.S.-Observatoriums – die Abkürzung steht für „High Energy Stereoscopic System“ und befindet sich in Namibia – eine bahnbrechende Entdeckung gemacht. Sie haben die energiereichsten kosmischen Elektronen entdeckt, die je beobachtet wurden, und damit neue Wege zum Verständnis des Universums eröffnet.
„Die kosmische Strahlung ist ein jahrhundertealtes Rätsel“, sagte Mathieu de Naurois, Forscher am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung und stellvertretender Direktor der H.E.S.S.-Kollaboration, gegenüber kosmischeweiten.de.
Der österreichische Physiker Victor Hess entdeckte die kosmische Strahlung 1912 nach einer Reihe von Ballonaufstiegen, um ionisierende Strahlung zu erforschen, die zunächst mit einem Elektroskop nachgewiesen wurde. Nachdem er jedoch eine Höhe von 5 300 Metern erreicht hatte, entdeckte Hess eine natürliche Quelle für hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum. Heute nennen wir diese Teilchen kosmische Strahlung.
Jetzt sind die H.E.S.S.-Wissenschaftler begeistert, weil sie die bisher energiereichsten Elektronen und Positronen entdeckt haben (ein Positron ist sozusagen das „Gegenteil“ eines Elektrons, denn es hat die Masse eines Elektrons, ist aber positiv geladen wie ein Proton), die einen Bestandteil der hochenergetischen kosmischen Strahlung bilden.
„Das Verständnis dieser kosmischen Strahlung ermöglicht es uns, große Teilchenbeschleuniger im Universum zu enthüllen, die oft mit den gewaltigsten Phänomenen in Verbindung gebracht werden: die Explosion von Sternen, sehr kompakte Objekte mit riesigen Gravitations- und elektromagnetischen Feldern, wie Neutronensterne und Pulsare, kataklysmische Verschmelzungen und schwarze Löcher“, so de Naurois.
Da Elektronen mit dieser Energie schnell an Energie verlieren, geht das Team davon aus, dass sie aus einer relativ nahen Umgebung stammen müssen. „In der Nähe unseres Sonnensystems gibt es sehr effiziente kosmische Elektronenbeschleuniger“, so de Naurois. „Im Umkreis von ein paar hundert Lichtjahren gibt es viele Sterne, wobei die nächstgelegenen typischerweise zwei Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Wir würden daher auch erwarten, dass es in dieser Region einige ‚tote Sterne‘ gibt, wie Pulsare oder Supernova-Überreste, die die Quellen dieser Elektronen sein könnten.“
Das Aufspüren dieser hochenergetischen Elektronen und Positronen mit Energien von mehreren Teraelektronenvolt – höher als alle Teilchenbeschleuniger auf der Erde erreichen können – war aus mehreren Gründen eine besondere Herausforderung.
Erstens führen galaktische Magnetfelder dazu, dass die Elektronen von einer geraden Bahn abweichen und aus scheinbar zufälligen Richtungen auf der Erde ankommen. Zweitens sind die weltraumgestützten Instrumente zu klein, um genügend dieser Teilchen einzufangen, was zum Teil auf die ungleichmäßige Energieverteilung der Teilchen im Weltraum zurückzuführen ist.
Mit anderen Worten, kosmische Strahlungsquellen beschleunigen die Teilchen allmählich, wobei Teilchen mit höherer Energie mit größerer Wahrscheinlichkeit aus ihren Systemen entkommen. Da das Erreichen der höchsten Energien einige Zeit in Anspruch nimmt, führt dies zu einem Überfluss an niederenergetischen Teilchen und zu immer weniger Teilchen auf höheren Energieniveaus. „Bei hohen Energien nimmt der Fluss der kosmischen Strahlung schnell ab, was bedeutet, dass die Weltrauminstrumente zu wenige Teilchen auffangen“, erklärt de Naurois.
Andererseits haben bodengestützte Teleskope, die die kosmische Strahlung indirekt erfassen, Schwierigkeiten, die Elektronen der kosmischen Strahlung von den zahllosen anderen Arten der kosmischen Strahlung zu unterscheiden, die die Erdatmosphäre bombardieren.
„H.E.S.S. hingegen hat eine riesige effektive Fläche und ist daher besonders geeignet für die Untersuchung des hochenergetischen Teils des Elektronenspektrums“, so de Naurois.
Das H.E.S.S.-Observatorium, das aus fünf großen Teleskopen besteht, die sich über eine Fläche von der Größe eines Fußballfeldes erstrecken, wurde entwickelt, um atmosphärische Schauer einzufangen, die Cherenkov-Strahlung aussenden. Diese Strahlung entsteht, wenn hochenergetische Teilchen mit der Erdatmosphäre kollidieren und Teilchenschauer erzeugen, die von den Teleskopen erfasst und analysiert werden können.
Artist’s impression of a pulsar with its powerful magnetic field rotating around it. Die Wolken geladener Teilchen, die sich entlang der Feldlinien bewegen, senden Gammastrahlen aus, die durch die Magnetfelder gebündelt werden, ähnlich wie die Lichtstrahlen eines Leuchtturms. In diesen Magnetfeldern werden Paare von Positronen und Elektronen erzeugt und beschleunigt, was Pulsare zu potenziellen Quellen hochenergetischer kosmischer Elektronen und Positronen macht. (Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
Obwohl der Hauptzweck der Kamera darin besteht, Gammastrahlen aufzuspüren und ihre Quellen zu finden, hat das Team die Daten für die Suche nach diesen hochenergetischen Elektronen der kosmischen Strahlung umgewidmet. „Der hier verwendete Algorithmus basiert auf einem Pixel-für-Pixel-Vergleich mit Hilfe einer ausgefeilten statistischen Modellierung – insbesondere einer Likelihood-Analyse – zwischen einem vorab berechneten Modell und den von der Kamera aufgenommenen Bildern“, so de Naurois.
Ursprünglich war der Algorithmus auf die Erkennung von Elektronen ausgelegt, die sich von Gammastrahlen nur geringfügig unterscheiden. Außerdem mussten sie in der Lage sein, die Elektronen von den Hintergrundsignalen zu unterscheiden. Und da Elektronen in den Daten selten sind, musste der Algorithmus angepasst werden, um andere Teilchen der kosmischen Strahlung durch die Anwendung strengerer Kriterien auszuschließen, was aber auch dazu führte, dass weniger Elektronen entdeckt wurden.
Um die Genauigkeit zu verbessern, „wurde jede Teleskopbeobachtung gründlich simuliert, was zu einem besseren Verständnis des Verhaltens der Instrumente führte“, so de Naurois.
Dies führte zu einem beispiellosen Satz statistischer Daten für die Analyse von Elektronen aus kosmischen Strahlen. Das Team bestätigte, dass sich das Energiespektrum der Elektronen bis mindestens 40 TeV erstreckt, was 400-mal höher ist als die Möglichkeiten der Beschleuniger auf der Erde, Energie zu erfassen. Ein scharfer „Bruch“ im Spektrum um 1 TeV deutet darauf hin, dass Elektronen bei dieser Energie innerhalb der Milchstraße schnell an Energie verlieren, was laut de Naurois darauf hindeutet, dass sie aus relativ nahen Quellen stammen.
„Die Schärfe dieses Bruchs deutet darauf hin, dass nur wenige oder möglicherweise nur eine kosmische Quelle für diese Elektronen verantwortlich ist“, fügte er hinzu. „Wären mehrere Quellen beteiligt, wäre das Spektrum glatter und die Brüche würden auf verschiedenen Energieniveaus auftreten. Die besten Kandidaten sind relativ alte Supernovas oder starke stellare Winde von WR-Sternen [die nackten Kerne ursprünglich massereicher Sterne, deren ursprüngliche wasserstoffreiche Hülle durch stellare Winde entfernt wurde] , aber es gibt auch andere Möglichkeiten, die wir nicht ausschließen können.“
Das Team sagt, dass seine Analyse nicht nur wichtige Daten liefert, sondern auch Daten, die als Maßstab für zukünftige Studien dienen werden.
