Ein seltsamer Knick im All und die unerwarteten Schuldigen
Ein kosmischer Knick voller Fragen: LHAASO entdeckt Spuren, die zu ungewöhnlich aktiven Mikroquasaren führen – und zu neuer Physik.
Das Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) auf dem tibetischen Plateau: In über 4400 m Höhe misst die Anlage die Teilchenkaskaden der kosmischen Strahlung – und liefert erstmals präzise Hinweise darauf, dass Mikroquasare die PeV-Grenze prägen.
Foto: picture alliance / Xinhua News Agency | Liu Kun
Seit den 1950er-Jahren beschäftigt Astrophysiker ein hartnäckiger Ausreißer in ihren Daten. Wenn man misst, wie viele Teilchen der kosmischen Strahlung auf die Erde treffen – also energiereiche Protonen, Elektronen und Atomkerne aus dem Weltall –, zeigt das Diagramm einen auffälligen Einbruch. Bei rund 3 PeV bricht die Kurve plötzlich ab.
PeV steht für Petaelektronenvolt – eine Einheit für Energie. Ein Elektronenvolt ist winzig; ein Petaelektronenvolt entspricht einer Eins mit 15 Nullen dahinter. Solche Energien sind auf der Erde nur in Teilchenbeschleunigern wie dem CERN erreichbar, und selbst dort nur mit enormem technischem Aufwand.
Doch im All passiert das ganz ohne Ingenieurskunst. Irgendetwas beschleunigt Teilchen auf absurde Geschwindigkeiten – und genau diese „PeV-Teilchen“ waren das große Rätsel.
Lange galten Supernova-Überreste – expandierende Gaswolken nach der Explosion eines Sterns – als Hauptkandidaten. Ihre Schockwellen können Teilchen hochjagen, aber nach heutigem Stand nicht zuverlässig über die PeV-Grenze hinaus. Trotzdem fällt das Spektrum genau dort ab. Etwas passte nicht.
Jetzt rückt eine ungewöhnliche Gruppe abgesonderter Himmelsmaschinen ins Zentrum der Aufmerksamkeit: Mikroquasare.
Inhaltsverzeichnis
- Was steckt hinter dem „Knie“?
- LHAASO: Das Observatorium, das in Teilchenkaskaden schaut
- Die Spur führt zu Mikroquasaren
- SS 433: Der eindeutige Fall
- V4641 Sgr: Der zweite Schwergewichts-Beschleuniger
- Warum konnte man das Knie so lange nicht erklären?
- Was bedeutet das für die Astrophysik?
- Ein altes Rätsel gelöst – und ein neues beginnt
Was steckt hinter dem „Knie“?
Die Absenkung im Spektrum wird seit Jahrzehnten schlicht „Knee“ (also Knie) genannt. Dahinter versteckt sich ein physikalischer Bruch: Unterhalb von rund 3 PeV kommen sehr viele Teilchen bei uns an. Oberhalb davon kaum noch.
Warum?
Dafür muss man zwei Dinge wissen:
- Hochenergetische Teilchen sind extrem selten.
- Ihre Messung ist schwierig, weil sie nicht direkt, sondern über Luftschauer registriert werden.
Genau hier setzt ein Observatorium an, das gebaut wurde, um diese Schwäche auszuräumen.
LHAASO: Das Observatorium, das in Teilchenkaskaden schaut
Das Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) liegt auf über 4000 Metern Höhe auf dem tibetischen Plateau. Dort ist die Atmosphäre dünn und sauber genug, um die sogenannten Luftschauer zu beobachten: riesige Kaskaden aus Licht und Sekundärteilchen, die entstehen, wenn ein energiereiches kosmisches Teilchen auf die Atmosphäre trifft.
Das Besondere an LHAASO:
- Es kombiniert mehrere Detektortypen, darunter Myon-Detektoren, Wasser-Cherenkov-Tanks und Teleskope für Cherenkov-Licht.
- Es kann dadurch unterscheiden, ob ein Schauer von einem Proton, einem schweren Atomkern oder einem Photonenstrahl stammt.
- Es misst Energien im PeV-Bereich ausgesprochen präzise.
Kurz: Zum ersten Mal lässt sich die kosmische Strahlung mit der Genauigkeit eines Satelliten, aber der Sammelfläche einer halben Stadt beobachten.
Diese neue Datentiefe verändert die Interpretation radikal.
Die Spur führt zu Mikroquasaren
Die frischen LHAASO-Daten zeigen deutliche Hinweise: Einige der stärksten Gammastrahlenquellen im PeV-Bereich stammen von Mikroquasaren.
Ein Mikroquasar besteht aus einem Schwarzen Loch und einem normalen Stern. Das Schwarze Loch zieht Materie vom Stern ab und formt eine rotierende Scheibe. Dabei entsteht ein Teil des heftigsten kosmischen Phänomens, das wir kennen: Jets, die fast mit Lichtgeschwindigkeit nach außen schießen.
In diesen Jets herrschen extreme physikalische Bedingungen: Turbulenzen, Schockfronten, magnetische Wirbel. Perfekte Umgebungen, um Teilchen zu beschleunigen – ähnlich wie in einem gigantischen Teilchenbeschleuniger, nur viel kraftvoller.
Die neuen Studien identifizieren gleich fünf potenzielle PeV-Beschleuniger:
- SS 433
- V4641 Sgr
- GRS 1915+105
- MAXI J1820+070
- Cygnus X-1
Und zwei davon stechen besonders heraus.
SS 433: Der eindeutige Fall
Bei SS 433, einem der ungewöhnlichsten Systeme der Milchstraße, überlagern sich die Signale besonders klar. LHAASO sieht PeV-Gammastrahlen genau dort, wo eine Gaswolke in der Nähe des Jets liegt.
Die Interpretation ist physikalisch sauber:
Protonen aus dem Jet knallen in die Gaswolke, erzeugen dabei kurzlebige Teilchen, die wiederum zu den beobachteten Gammastrahlen zerfallen.
Die freigesetzte Leistung liegt bei etwa 10³² Joule pro Sekunde – so viel Energie wie vier Billionen Wasserstoffbomben pro Sekunde. Kein Supernova-Überrest kann das leisten.
V4641 Sgr: Der zweite Schwergewichts-Beschleuniger
Auch V4641 Sgr liefert Signale im Bereich von knapp 1 PeV. Damit müssen die ursprünglichen Protonen Energien von über 10 PeV erreicht haben. Das ist astrophysikalisch spektakulär: ein klarer Hinweis auf eine extrem effiziente Beschleunigung.
Kurz: Mikroquasare sind PeVatrons – natürliche Maschinen, die Teilchen bis in genau jene Energien treiben, bei denen das Knie im Spektrum sitzt.
Warum konnte man das Knie so lange nicht erklären?
Weil Messungen im PeV-Bereich an zwei Dingen leiden:
- Teilchen sind extrem selten.
Pro Quadratmeter und pro Jahr kommt nur eine Handvoll PeV-Teilchen auf der Erde an. - Satelliten haben zu kleine Detektoren.
Sie messen präzise, aber im PeV-Bereich praktisch nichts – das Volumen reicht nicht.
LHAASO löst beides: eine gigantische Fläche plus gute Auflösung.
Das neue Bild sieht jetzt so aus:
- Unter 0,1 PeV dominieren Supernova-Überreste.
- Zwischen 0,1 und 3 PeV tragen Mikroquasare wesentlich mehr bei als gedacht.
- Bei 3 PeV endet ihr Einfluss – genau das beobachtete Knie.
- Oberhalb davon spielen wahrscheinlich noch exotischere Quellen eine Rolle, zum Beispiel junge Pulsare oder extragalaktische Jets.
Was bedeutet das für die Astrophysik?
Die Ergebnisse verschieben das gesamte Modell der kosmischen Strahlung:
- Supernovae bleiben wichtig, aber sie schaffen nicht die ganze Energiekette.
- Mikroquasare rücken ins Zentrum, wenn es um die PeV-Lücke geht.
- Die Ausbreitung kosmischer Strahlung durch die Magnetfelder der Milchstraße muss neu modelliert werden.
- Auch der Beitrag verschiedener Regionen (Scheibe, Halo, Spiralstrukturen) wird neu bewertet werden müssen.
Ein altes Rätsel gelöst – und ein neues beginnt
Die Zuordnung der PeV-Strahlung zu Mikroquasaren schließt eine Lücke, die Forschende seit fast 70 Jahren beschäftigt. Aber sie öffnet zugleich neue Fragen:
- Welche physikalischen Prozesse in den Jets beschleunigen die Teilchen genau?
- Wie verteilt sich ihre Energie im Magnetfeld der Milchstraße?
- Wie stark wirken Mikroquasare auf die kosmische Strahlung außerhalb unserer Galaxie?
LHAASO hat das Rätsel geöffnet – andere Observatorien wie CTA, IceCube oder KM3NeT werden es in den nächsten Jahren weiter entschlüsseln.
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