Seit Jahrzehnten rätseln Wissenschaftler über eine scharfe Krümmung im Energiespektrum der kosmischen Strahlung, die als „Knie“ bei etwa 3 PeV (Peta-Elektronenvolt) bekannt ist. Nun bestätigen bahnbrechende Ergebnisse des Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), dass leistungsstarke Teilchenbeschleuniger in Systemen Schwarzer Löcher – insbesondere Mikroquasare – die wahrscheinliche Quelle dieses kosmischen Phänomens sind. Diese Entdeckung löst nicht nur ein seit langem bestehendes Rätsel, sondern enthüllt auch die entscheidende Rolle, die Schwarze Löcher bei der Formung hochenergetischer kosmischer Strahlung in unserer Galaxie spielen.
Das Jahrzehnte alte Rätsel um das Knie der kosmischen Strahlung
Kosmische Strahlung, hochenergetische Teilchen, die die Erde vom Weltraum aus bombardieren, weist ein Spektrum auf, in dem die Anzahl der Teilchen mit zunehmender Energie abnimmt. Bei etwa 3 PeV nimmt das Spektrum jedoch eine deutliche „Knie“-Form an – ein plötzlicher Abfall der Partikelzahl. Die Ursache dieser abrupten Veränderung blieb fast 70 Jahre lang unbekannt, wobei Theorien auf Einschränkungen bei astrophysikalischen Beschleunigungsprozessen hindeuteten.
LHAASOs Durchbruch: Mikroquasare als kosmische Beschleuniger
Aktuelle Studien, veröffentlicht in National Science Review und Science Bulletin, zeigen, dass Mikroquasare – binäre Systeme, in denen ein Schwarzes Loch Material von einem Begleitstern ansammelt – in der Lage sind, Teilchen auf PeV-Energien zu beschleunigen. LHAASO hat systematisch ultrahochenergetische Gammastrahlen von fünf Mikroquasaren nachgewiesen: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 und Cygnus X-1.
Es wurde festgestellt, dass die ultrahochenergetische Strahlung von SS 433 mit einer riesigen Atomwolke überlappt, was darauf hindeutet, dass hochenergetische Protonen vom Schwarzen Loch beschleunigt werden und mit der umgebenden Materie kollidieren. Die Protonenenergie in diesem System überstieg 1 PeV, mit einer Gesamtleistung, die der Detonation von vier Billionen Wasserstoffbomben pro Sekunde entspricht. V4641 Sgr wies eine Gammastrahlenenergie von 0,8 PeV auf, was ihn zu einem weiteren „Super-PeV-Teilchenbeschleuniger“ macht.
Warum Supernova-Überreste nicht ausreichen
Historisch gesehen galten Supernova-Überreste als Hauptquelle der kosmischen Strahlung. Beobachtungs- und theoretische Studien haben jedoch gezeigt, dass ihnen die Energie fehlt, um Teilchen auf PeV-Niveaus und darüber hinaus zu beschleunigen. Die Ergebnisse von LHAASO bestätigen, dass Mikroquasare diese Lücke füllen und die notwendigen Beschleunigungsfähigkeiten bieten, um die hochenergetische Komponente der kosmischen Strahlung zu erzeugen.
Die Herausforderung der Messung kosmischer Strahlungsspektren
Die genaue Messung der Energiespektren der kosmischen Strahlung, insbesondere der Protonen, ist äußerst schwierig. Die „Knie“-Region ist spärlich, sodass die Erkennung mit der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen vergleichbar ist. Bodengestützte Messungen werden durch atmosphärische Interferenzen erschwert, die es schwierig machen, Protonen von anderen Kernen zu unterscheiden. LHAASO meisterte diese Herausforderungen durch den Einsatz seiner fortschrittlichen Beobachtungsausrüstung und die Entwicklung von Multiparameter-Messtechniken.
Mehrere Beschleuniger prägen die Landschaft der kosmischen Strahlung
Die Ergebnisse von LHAASO ergeben zusammen mit den Daten der weltraumgestützten Experimente AMS-02 und DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) ein komplexes Bild. Die Galaxie enthält mehrere Beschleuniger, jeder mit seinen eigenen einzigartigen Fähigkeiten und Energiebereichen. Das „Knie“ stellt die Beschleunigungsgrenze der Quellen dar, die für die Erzeugung der Hochenergiekomponente verantwortlich sind, wobei Mikroquasare eine entscheidende Rolle spielen.
Schwarze Löcher mit dem Knie der kosmischen Strahlung verbinden
Das hybride Detektorarray-Design von LHAASO ermöglicht die Erkennung kosmischer Strahlungsquellen durch ultrahochenergetische Gammastrahlen und ermöglicht gleichzeitig die präzise Messung kosmischer Strahlungspartikel. Dieser Ansatz liefert Einblicke in die Beschleunigungsfähigkeiten von Quellen bei PeV-Energien und die spektralen Eigenschaften, die sie zur kosmischen Strahlung beitragen. Zum ersten Mal wurde die „Knie“-Struktur durch Beobachtungen mit einer bestimmten Art astrophysikalischer Quelle in Verbindung gebracht – dem Jet-System des Schwarzen Lochs.
Ein chinesischer Durchbruch in der Erforschung der kosmischen Strahlung
LHAASO, entworfen, gebaut und betrieben von chinesischen Wissenschaftlern, hat aufgrund seiner Empfindlichkeit sowohl in der Gammastrahlenastronomie als auch bei der Präzisionsmessung kosmischer Strahlung eine führende Position in der Forschung im Bereich der hochenergetischen kosmischen Strahlung übernommen. Seine Entdeckungsreihe hatte globale Auswirkungen und trug zu unserem Wissen über extreme physikalische Prozesse im Universum bei.
Zusammenfassend liefern die Ergebnisse von LHAASO den endgültigen Beweis dafür, dass Systeme Schwarzer Löcher, insbesondere Mikroquasare, die Hauptquelle hochenergetischer kosmischer Strahlung sind, die für das „Knie“ im Energiespektrum verantwortlich ist. Dieser Durchbruch löst nicht nur ein jahrzehntealtes Rätsel, sondern stellt auch einen entscheidenden Zusammenhang zwischen Schwarzen Löchern und der extremen Teilchenbeschleunigung in unserer Galaxie her
