Rätsel um extremste Teilchen im All gelöst

Stell dir vor, ein einzelnes, winziges Teilchen rast mit der Energie eines Tennisballs auf die Erde zu – und niemand weiß, woher es kommt oder was es genau ist. Genau das passierte 2021 mit dem sogenannten Amaterasu-Teilchen, benannt nach der japanischen Sonnengöttin. Es wurde in der Wüste von Utah vom Telescope Array gemessen, einem Netzwerk aus Detektoren, das nach den energiereichsten Besuchern aus dem All sucht. Mit rund 240 Exa-Elektronenvolt gehört es zu den extremsten kosmischen Strahlen, die je registriert wurden – und stellt die Wissenschaft vor ein Rätsel: Seine Flugbahn führt zurück in eine kosmische Leere, eine Region ohne erkennbare Quelle.

Jetzt hat ein Team um Kohta Murase von der Penn State University eine Erklärung gefunden, die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde. Die Forscher simulierten am Computer, wie verschiedene Teilchen durch das intergalaktische All reisen. Ihre Erkenntnis: Die energiereichsten kosmischen Strahlen sind vermutlich keine einzelnen Protonen, sondern superschwere Atomkerne – schwerer als Eisen. Atomkerne sind die winzigen Zentren von Atomen, in denen fast die gesamte Masse steckt. Diese superschweren Kerne verlieren auf ihrer Reise durchs All viel langsamer Energie als leichtere Teilchen. Sie können also extreme Energien über riesige Distanzen bewahren und schließlich auf der Erde ankommen.

Die Studie liefert damit nicht nur eine Erklärung für das Amaterasu-Teilchen, sondern auch einen neuen Ansatz, um seine Herkunft zu bestimmen. Denn solche superschweren Kerne können nur in den gewaltigsten kosmischen Explosionen entstehen: wenn zwei Neutronensterne kollidieren, ein massereicher Stern zu einem Schwarzen Loch kollabiert oder ein Magnetar – ein extrem stark magnetisierter Neutronenstern – explodiert. Diese Ereignisse gehören zu den heftigsten im Universum und senden auch die bekannten Gammablitze aus, die hellsten Explosionen seit dem Urknall.

Die Arbeit zeigt auch, warum das Amaterasu-Teilchen aus einer scheinbar leeren Region kam: Superschwere Kerne werden von Magnetfeldern im All stärker abgelenkt als leichtere Teilchen. Ihre Flugbahn lässt sich daher nicht direkt zu einer Quelle zurückverfolgen. Künftige Observatorien wie das geplante AugerPrime in Argentinien oder das Global Cosmic Ray Observatory sollen die Vorhersagen der Forscher überprüfen. Wenn die Theorie stimmt, müssten die extremsten kosmischen Strahlen eine Zusammensetzung zeigen, die schwerer ist als Eisen – ein klares Signal für die Geburtsstätten dieser rätselhaften Teilchen.