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Eine Illustration zeigt kosmische Strahlen, die von kosmischen Ereignissen durch den Weltraum geschleudert werden und die Erde bombardieren.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/ Erdbild NASA)

Die Erde steht unter ständigem Bombardement durch kosmische Strahlen, Schauer hochenergetischer Teilchen, die unseren Planeten aus allen Richtungen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit beschießen.

Das mag wie die Vorstufe zu einer Science-Fiction-Invasion von Außerirdischen klingen, aber es handelt sich um ein reales Phänomen, das Wissenschaftlern seit über einem Jahrhundert bekannt ist. Trotz ihrer dramatischen Beschreibung sind kosmische Strahlen eigentlich ziemlich gewöhnlich – sie durchqueren unseren Planeten so regelmäßig, dass eine Person während einer durchschnittlichen Nachtruhe etwa eine Million kosmische Strahlen durch ihren Körper schickt, so die Universität von Birmingham im Vereinigten Königreich.

Trotz ihrer Allgegenwärtigkeit gibt die kosmische Strahlung der Wissenschaft noch immer Rätsel auf. Es ist bekannt, dass die kosmischen Strahlen mit niedriger Energie, die auf die Erde treffen, von der Sonne stammen, während andere mit höherer Energie aus den Tiefen des Weltraums in das Sonnensystem strömen. Die Ursprünge dieser extrasolaren kosmischen Strahlung sind weniger bekannt. Zu den vermuteten Quellen gehören schwarze Löcher und Supernova-Explosionen, die das Ende massereicher Sterne markieren.

Kosmische Strahlen „werden hier auf der Erde schon seit mehr als 100 Jahren nachgewiesen. Doch ihr Ursprung ist nach wie vor weitgehend unbekannt“, erklärt Julia Tjus, Professorin für Physik und Astronomie an der Ruhr-Universität in Deutschland, gegenüber kosmischeweiten.de per E-Mail. „Diese winzigen Teilchen erreichen Energien, die weit über das hinausgehen, was wir hier auf der Erde erreichen können. Wir versuchen, ein Rätsel zu lösen, das mittlerweile mehr als 100 Jahre alt ist, und setzen die Teile langsam aber stetig zusammen.“

Was sind kosmische Strahlen?

Kosmische Strahlen sind Ströme hochenergetischer Teilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf die Erdatmosphäre treffen. Sie wurden in den 1900er Jahren entdeckt, und der Begriff „kosmische Strahlung“ wurde 1925 von dem Physiker Robert Millikan geprägt.

Seitdem haben Wissenschaftler festgestellt, dass täglich Billionen von kosmischen Strahlen auf die Erde treffen, aber die große Mehrheit wird von der Magnetosphäre und der Atmosphäre des Planeten abgehalten.

Über 90 % der kosmischen Strahlung sind Wasserstoffkerne (einzelne Protonen), 9 % sind Heliumkerne und 1 % sind Kerne schwerer Elemente bis hin zu Eisen, so die Universität von Chicago. Diese werden „hadronische Teilchen“ genannt, weil sie aus Hadronen, wie Protonen und Neutronen, bestehen, die sich aus fundamentalen Teilchen, den Quarks, zusammensetzen.

„Es gibt auch Elektronen und Positronen [die Antiteilchen der Elektronen] , die in der kosmischen Strahlung zu uns kommen, aber in geringerer Zahl als die hadronischen Teilchen. Diese werden oft als kosmische Strahlenelektronen bezeichnet“, so Tjus. „Manchmal werden auch die neutralen hochenergetischen Teilchen – Photonen und Neutrinos – in den Begriff kosmische Strahlung einbezogen, aber in den meisten Definitionen werden sie getrennt behandelt.“

Wie wird die kosmische Strahlung so energiereich?

Kosmische Strahlen regnen ständig auf die Erde herab, aber niemand weiß genau, woher sie kommen. (Bildnachweis: DrPixel via Getty Images)

Der Kern des Geheimnisses der kosmischen Strahlung ist, wie diese Teilchen eine so unglaubliche Energie erreichen können, dass sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

„Wir kennen die Energien der kosmischen Strahlung recht gut – das Universum beschleunigt Teilchen irgendwie auf bis zu 10²⁰ (1 gefolgt von 20 Nullen) Elektronenvolt (eV)“, sagte Tjus. „Im Vergleich dazu können erdgebundene Beschleuniger, wie der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, Teilchen nur bis auf 10¹³ eV beschleunigen, was viele Größenordnungen unter dem liegt, was das Universum erreichen kann. Der Mechanismus, wie Teilchen auf diese extremen Energien beschleunigt werden können, ist nicht verstanden.“

Ein Vorschlag ist, dass Teilchen durch eine Schockfront auf solche Energien beschleunigt werden könnten, die entsteht, wenn ein Material, das sich mit einer unglaublich hohen Geschwindigkeit bewegt, auf ein langsameres Medium auftrifft und eine plötzliche Veränderung in letzterem verursacht. Dies würde ein turbulentes Magnetfeld erzeugen, das als natürlicher und starker kosmischer Teilchenbeschleuniger wirken könnte.

Eine Möglichkeit, solche Bedingungen zu erzeugen, wäre eine Supernova, die Explosion, die beim Tod eines massereichen Sterns entsteht. Diese Explosion würde die äußeren Schichten des Sterns mit unglaublicher Geschwindigkeit durch die Luft schleudern, bis das Sternmaterial schließlich auf das interstellare Medium – sich langsam bewegende Gaswolken zwischen den Sternen – trifft und einen glühenden Supernova-Überrest bildet.

„Supernova-Überreste sind vernünftige Kandidaten für kosmische Strahlung, die aus dem Inneren der Milchstraße kommt. Es gibt Hinweise darauf, dass Supernova-Überreste Teilchen bis zu GeV-Energien [etwa 10⁹ bis 10¹² eV] beschleunigen können“, so Tjus. „Bei den höchsten Energien, etwa 10²⁰ eV, wissen wir, dass diese Teilchen aus anderen Galaxien stammen müssen.“

Sie sagte, dass eine mögliche Quelle dieser höherenergetischen kosmischen Strahlung aktive galaktische Kerne (AGN) sind, die Zentren aktiver Galaxien, die durch die Fütterung supermassiver schwarzer Löcher mit einer Masse, die Millionen oder Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne, angetrieben werden.

AGN supermassive schwarze Löcher sind von Materie umgeben, von der sie sich allmählich ernähren und die sie durch ihren immensen Gravitationseinfluss umherschleudern, so dass sie heller leuchten als das Licht aller Sterne in der umgebenden Galaxie zusammen. Die Materie in diesen Regionen, die nicht dem zentralen supermassiven Schwarzen Loch zugeführt wird, kann zu den Polen des Schwarzen Lochs geleitet werden, wo sie in Form von Materiestrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausgeschleudert wird. Wenn diese Strahlen auf das umgebende interstellare Material treffen, könnte diese Kollision auch kosmische Strahlung erzeugen.

Eine weitere mögliche Quelle kosmischer Strahlung könnten so genannte Starburst-Galaxien sein, d. h. Galaxien mit einer außergewöhnlich hohen Sternentstehungsrate, in denen Gammastrahlenausbrüche auftreten, so Tjus.

Aber wenn die kosmische Strahlung von einigen der heftigsten und auffälligsten Ereignisse im Universum stammt, warum fällt es den Astronomen dann so schwer, diese geladenen Teilchen zu diesen Quellen zurück zu verfolgen?

Ein kosmischer Flipperautomat

Ein Grund, warum es schwierig ist, die Quellen der kosmischen Strahlung zu finden, ist, dass sie aus geladenen Teilchen besteht, die von Magnetfeldern beeinflusst werden. Wenn diese Teilchen auf ihrer langen Reise durch den Weltraum auf Magnetfelder treffen, werden sie abgelenkt.

Wenn also extragalaktische kosmische Strahlen die Erde erreichen, nachdem sie Millionen oder Milliarden von Lichtjahren zurückgelegt haben, sind sie bereits unzählige Male abgelenkt und umgelenkt worden und prallen im Kosmos ab wie eine Kugel in einem himmlischen Flipperautomaten. Das macht die Rekonstruktion ihres ursprünglichen Weges fast unmöglich, aber es gibt vielleicht einen indirekten Weg, dies zu tun.

„Wenn kosmische Strahlen mit Gas wechselwirken, führen diese Wechselwirkungen zur Erzeugung von Photonen und Neutrinos. Das sind neutrale Teilchen, die sich geradlinig fortbewegen und daher indirekt Aufschluss über den Ursprung der kosmischen Strahlung geben können“, erklärt Tjus.

Zurzeit wird die kosmische Strahlung in einem weiten Energiebereich von 10⁹ eV bis 10²⁰ eV untersucht, wobei die Wissenschaftler alles von der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung bis zu ihrer bevorzugten Richtung am Himmel betrachten. Tjus ist der Meinung, dass mit einer Kombination aus 3D-Modellierung und Präzisionsmessungen von Neutrinos und Photonen, die mit der kosmischen Strahlung in Verbindung stehen, Fortschritte beim Verständnis der Herkunft der kosmischen Strahlung und der Art und Weise, wie sie mit solch unglaublichen Energien ausgestoßen wird, erzielt werden können.

„Das Rätsel der kosmischen Strahlung kann nur gelöst werden, indem verschiedene Informationen aus den verschiedenen beobachteten Botenstoffen zusammengefügt werden“, so Tjus. „Heute gibt es eine Vielzahl von Observatorien, die unterschiedliche Informationen liefern.“