Objekt in der Milchstraße schleudert Protonen auf Rekordenergie

Kosmische Strahlung besteht zum größten Teil aus Protonen, also aus Atomkernen des Wasserstoffs, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch die Milchstraße rasen. Ihre Energie wird in Elektronenvolt angegeben, jener Einheit, die ein Elektron aufnimmt, wenn es eine Spannung von einem Volt durchläuft. Die höchsten in unserer Galaxie beobachteten Werte erreichen und übersteigen eine Billiarde Elektronenvolt, ein sogenanntes Peta-Elektronenvolt. Zum Vergleich beschleunigt der Large Hadron Collider am CERN Protonen auf einige Billionen Elektronenvolt, also rund hundertmal weniger. Objekte, die diese Schwelle überschreiten, tragen deshalb den Namen PeVatron. Als Kandidaten galten lange die Überreste explodierter Sterne, denn eine Supernova setzt genug Energie frei, um Teilchen über Jahrtausende hinweg immer weiter zu beschleunigen. Ein direkter Nachweis fehlte jedoch. Das Problem liegt in der Natur der Teilchen selbst. Protonen sind elektrisch geladen und werden von den Magnetfeldern zwischen den Sternen so oft abgelenkt, dass ihre Ankunftsrichtung nichts mehr über den Ursprungsort verrät. Aussagekräftig ist deshalb nur die Gammastrahlung, die entsteht, wenn beschleunigte Teilchen mit dem umgebenden Gas zusammenstoßen. Diese Strahlung breitet sich geradlinig aus und trägt typischerweise etwa ein Zehntel der Energie des Teilchens, das sie erzeugt hat. Ähnlich funktioniert die Beobachtung geladener Teilchen im Sonnensystem, wo sich heftige Sonnenstürme inzwischen Jahre im Voraus ankündigen lassen, allerdings bei Energien, die um viele Größenordnungen unter denen der galaktischen Strahlung liegen. Warum Gammastrahlung allein nicht reicht Seit 1990 sucht das japanisch-chinesische Experiment Tibet AS gamma nach solchen Signalen, später kam das chinesische Observatorium LHAASO hinzu. Gemeinsam haben beide Anlagen mehr als vierzig Quellen aufgespürt, deren Gammastrahlung oberhalb von 0,1 Peta-Elektronenvolt liegt. Eine davon trägt die Bezeichnung LHAASO J1912+1014u und wurde zuvor als Nebel um einen Pulsar oder als Rest einer Sternexplosion gedeutet. Das Kernproblem blieb dabei ungelöst, denn auch sehr schnelle Elektronen können Gammastrahlung dieser Art hervorbringen. Aus den Daten der beiden Anlagen allein lässt sich deshalb nicht entscheiden, welche Teilchensorte am Werk ist, zumal die räumliche Auflösung begrenzt bleibt. Wie die Mitteilung der Hiroshima University ausführt, brauchte es dafür Beobachtungen in gänzlich anderen Wellenlängenbereichen. Drei Datensätze die zusammenpassen Die Arbeitsgruppe wertete fünfzehn Jahre Beobachtungen des Fermi-Teleskops der NASA im Bereich zwischen 0,4 und rund 410 Milliarden Elektronenvolt aus und verbesserte dafür das Modell der diffusen Hintergrundstrahlung. Erst dadurch trat ein Überschuss deutlich hervor. Drei Argumente sprechen anschließend für Protonen. Erstens verläuft das Strahlungsspektrum ohne Bruch von über hundert Billionen bis hinunter zu vierhundert Millionen Elektronenvolt, was sich mit Elektronen kaum erklären lässt. Zweitens deckt sich die Verteilung der Gammastrahlung mit der Verteilung des interstellaren Gases, die aus einer Radiodurchmusterung von Kohlenmonoxid stammt. Drittens zeigt das Röntgenobservatorium Chandra dort nur sehr schwache diffuse Strahlung. Ähnlich präzise Nachweise einzelner Teilchen gelingen inzwischen auch im Labor, etwa wenn ein einzelnes Antiproton am CERN als Quantenbit dient. Was in der Milchstraße noch verborgen liegt Ausgedehnt ist die Quelle beträchtlich. Ihr Durchmesser am Himmel übertrifft ein Grad und damit die scheinbare Größe des Vollmonds um mehr als das Doppelte. Die Untersuchung liefert nicht nur die Zuordnung, sondern auch Kennwerte der beschleunigten Teilchen, etwa den Energieinhalt, den das Objekt in Form kosmischer Strahlung an seine Umgebung abgibt. Diese Größe entscheidet mit darüber, wie stark solche Beschleuniger den Gasdruck und die Sternentstehung in ihrer Nachbarschaft beeinflussen. Offen bleibt, welcher Objekttyp genau dahintersteckt, denn der Zusammenhang mit einer bestimmten Supernova ist nicht gesichert. Dokumentiert ist die Analyse in der Veröffentlichung im Astrophysical Journal, und mehrere Dutzend weitere Kandidaten warten noch auf dieselbe Prüfung. The Astrophysical Journal, Hadronic Scenario for Galactic PeVatron LHAASO J1912+1014u Supported by Fermi-LAT Gamma-ray Data and FUGIN CO Data; doi:10.3847/1538-4357/ae680d