Was beschleunigt kosmische Strahlung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit? Astronomen haben fast 100 Jahre lang über diese Frage nachgedacht, und jetzt stützen neue Erkenntnisse eine seit zwei Jahrzehnten vertretene Theorie, wonach kosmische Strahlen wahrscheinlich von explodierenden Sternen und Sternwinden angetrieben werden. "Diese Entdeckung wird seit fast 20 Jahren vorhergesagt, aber bis jetzt war kein Instrument empfindlich genug, um sie zu sehen", sagte Wystan Benbow, Astrophysiker am Smithsonian Astrophysical Observatory, der dieses Projekt für das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) koordinierte ) Zusammenarbeit.
Vor fast 100 Jahren entdeckten Wissenschaftler die ersten Anzeichen kosmischer Strahlung, bei denen es sich eigentlich nicht um Strahlen oder Strahlen handelt, sondern um subatomare Teilchen (meist Protonen), die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen. Die energiereichsten kosmischen Strahlen treffen mit dem Schlag eines Fastballs mit 98 Meilen pro Stunde, obwohl sie kleiner als ein Atom sind. Astronomen stellten die Frage, welche natürliche Kraft Teilchen auf eine solche Geschwindigkeit beschleunigen könnte.
Die seltensten kosmischen Strahlen tragen mehr als 100 Milliarden Mal so viel Energie wie ein Teilchenbeschleuniger auf der Erde. Astronomen haben ausgeklügelte Methoden entwickelt, um kosmische Strahlen zu erfassen, die auf die Erdatmosphäre treffen. Das Erkennen kosmischer Strahlen aus der Ferne erfordert jedoch viel mehr Aufwand.
VERITAS hat neue Beweise für kosmische Strahlung in der „Zigarrengalaxie“ gefunden, die auch als Messier 82 (M82) bekannt ist und sich 12 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbilds Ursa Major befindet, das die lang gehegte stark unterstützt Theorie, dass Supernovae und Sternwinde von massiven Sternen die dominierenden Beschleuniger von Teilchen der kosmischen Strahlung sind.
Galaxien mit hoher Sternentstehung wie M82, auch als „Starburst“ -Galaxien bekannt, weisen eine große Anzahl von Supernovae und massiven Sternen auf. Wenn die Theorie zutrifft, sollten Starburst-Galaxien mehr kosmische Strahlen enthalten als normale Galaxien. Die VERITAS-Entdeckung bestätigt diese Erwartung und zeigt, dass die kosmische Strahlendichte in M82 ungefähr das 500-fache der durchschnittlichen Dichte in unserer Galaxie, der Milchstraße, beträgt.
"Diese Entdeckung bietet grundlegende Einblicke in den Ursprung der kosmischen Strahlung", sagte Rene Ong, Professor für Physik an der University of California in Los Angeles und Sprecher der VERITAS-Zusammenarbeit.
Verwendung von Gammastrahlen, um auf kosmische Strahlen zu schließen
VERITAS konnte die kosmischen Strahlen von M82 nicht direkt erfassen, da sie in der Zigarrengalaxie gefangen sind. Stattdessen suchte VERITAS nach Hinweisen auf das Vorhandensein kosmischer Strahlen: Gammastrahlen. Gammastrahlen sind die energiereichste Form von Licht, weitaus stärker als ultraviolettes Licht oder sogar Röntgenstrahlen. Wenn kosmische Strahlen mit interstellarem Gas und Strahlung innerhalb von M82 interagieren, erzeugen sie Gammastrahlen, die dann aus ihrer Heimatgalaxie entweichen und erdgebundene Detektoren erreichen können.
Es dauerte zwei Jahre dedizierter Datenerfassung, um das schwache Signal von M82 herauszufiltern.
„Wir wussten, dass der Nachweis von M82 wichtige wissenschaftliche Auswirkungen haben würde. Infolgedessen haben wir unmittelbar nach dem vollständigen Betrieb des Experiments eine außergewöhnlich lange Exposition geplant “, sagte Benbow. „Die Daten mussten sorgfältig analysiert werden, um das Gammastrahlensignal zu extrahieren, das über eine Million Mal kleiner ist als das Hintergrundrauschen. Obwohl das Signal nur einen winzigen Bruchteil der Daten ausmacht, haben wir viele Überprüfungen auf mögliche Verzerrungen durchgeführt und sind zuversichtlich, dass das Signal echt ist. “
"Der Nachweis von M82 zeigt, dass das Universum voller natürlicher Teilchenbeschleuniger ist. Da sich die bodengestützten Gammastrahlenobservatorien weiter verbessern, sind weitere Entdeckungen unvermeidlich." sagte Martin Pohl, Professor für Physik an der Iowa State University, der die Studie leitete. Ein VHE-Gammastrahlenobservatorium der nächsten Generation, das Advanced Gamma-Ray Imaging System (AGIS), befindet sich bereits in der Entwicklung.
VERITAS wird von mehr als 100 Wissenschaftlern aus 22 verschiedenen Institutionen in den USA, Irland, England und Kanada betrieben. Klicken Sie hier für weitere Informationen zu VERITAS.
Bildunterschrift: Eine Zusammenstellung von Bildern mit mehreren Wellenlängen der aktiven Galaxie M82 von Hubble, Chandra und Spitzer. Bildnachweis: NASA, ESA, CXC und JPL-Caltech
Quelle: Harvard Smithsonian Center for Astrophysics
