Am Montag erst habe ich über eine wissenschaftliche Arbeit berichtet in der der Einfluss kosmischer Strahlung auf die Evolution untersucht wird. Die kosmische Strahlung ist aber auch dann interessant, wenn man nicht ihre Auswirkungen betrachtet, sondern ihre Quellen. Denn da gibt es immer noch viel, das wir nicht verstehen. Eine internationale Kollaboration von Wissenschaftlern hat den offenen Fragen nun kürzlich eine weitere hinzu gefügt: Wieso gibt es am Himmel im Sternbild “Großer Bär” eine Stelle, von der mehr hochenergetische kosmische Strahlung kommt als von anderswo?
Victor Hess steigt 1912 mit einem Ballon auf und entdeckt die kosmische Strahlung (Bild: APS, gemeinfrei)
Kosmische Strahlung besteht eigentlich aus Teilchen. Es handelt sich dabei im wesentlich aus Atomkernen, und da mehrheitlich um Protonen (also die Kerne von Wasserstoffatomen). Diese Teilchen werden aus der äußeren Atmosphäre von Sternen ins All geschleudert. Aber auch Supernova-Explosion treiben jede Menge Atomkerne durch die Gegend und die hochenergetischen Prozesse in der Umgebung der supermassereichen Löcher in den Zentren der Galaxien schleudern ebenfalls Teilchen hinaus. Die meisten Partikel der kosmischen Strahlung die hier bei uns auf der Erde ankommen, stammen von der Sonne und sind relativ langsam; haben also eine recht niedrige Energie. Es gibt aber immer wieder auch Teilchen mit enorm hohen Energien und deren Herkunft konnte bis jetzt noch nicht zweifelsfrei geklärt werden. Sie können nicht einfach durch die normale Turbulenz in einer Sternatmosphäre ins All hinaus geschleudert werden, denn das reicht nicht aus um sie mit so hohen Energien auszustatten. Auch normale Sternexplosionen sind dazu nicht in der Lage. Da muss schon etwas mit mehr Wumms passieren, zum Beispiel ein Gammablitz, also die Explosion eines wirklich großen Sterns. Sie können aber auch aus den Kernen aktiver Galaxien stammen, wo riesige schwarze Löcher große Mengen an Materie verschlucken, einen Teil aber mit ihrer Gravitationskraft auch einfach nur enorm stark beschleunigen und wieder hinaus ins All schleudern. Die hochenergetische kosmische Strahlung könnte auch bei Kollisionen zwischen Galaxien und den dabei entstehenden Schockwellen (und ja, dieses Wort existiert in der deutschen Sprache wirklich und bedeutet zumindest laut Duden das gleiche wie “Stoßwelle”) im galaktischen Gas produziert werden. Oder aber es sind irgendwelche bisher noch völlig unbekannten Prozesse, die den Teilchen eine solche hohe Energie verleihen.
Sie kommen auf jeden Fall von außerhalb unserer Milchstraße – können aber auch nicht zu weit entfernt ihren Ursprung haben, denn je weiter weg sie sind, desto größer ist die Chance dass sie unterwegs irgendwo von der überall im Universum befindlichen kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken und abgeschwächt werden. Aber das lässt immer noch einen Umkreis von 300 Millionen Lichtjahre zu und es ist genug Platz für Phänomene, die ultrahochenergetische kosmische Strahlung produziert.
Sieht aus wie ein solarbetriebener Liegestuhl in der Wüste. Ist aber ein solarbetriebener Teilchendetektor in der Wüste (Bild: John Matthews, University of Utah)
Es geht hier um Teilchen mit einer Energie von mindestens einer Trillion Elektronenvolt. Ok, das sind nur 0,00004 Kilokalorien und in unserem menschlichen Alltag entspricht das keiner sehr großen Energiemenge. Aber diese ganze Energie steckt in einem einzigen Proton, das sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt. Würde man so ein Ding an den Kopf kriegen, würde sich dieses eine Proton so anfühlen wie der Treffer mit einem Baseball… Aber zum Glück sind diese ultrahochenergetischen Teilchen recht selten und außerdem schützt uns ja die Atmosphäre der Erde. Bevor sie irgendwem an den Kopf knallen können, kollidieren sie mit einem der Moleküle in der Luft und erzeugen einen Schauer anderer Teilchen, so wie bei den Experimenten in einem Teilchenbeschleuniger. Diese neu produzierten Partikel kann man dann auf der Erde in Detektoren messen und daraus berechnen, welche Energie die kosmische Strahlung ursprünglich gehabt haben muss. Andere Instrumente beobachten den Himmel und suchen dort die charakteristischen “Blitze” die entstehen, wenn kosmische Strahlung auf Sauerstoff- oder Stickstoffatome trifft (die man mit freiem Auge aber nicht sehen kann).
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