Das Teilchen, das 2021 mit der zweithöchsten jemals gemessenen Energie die Erde traf, stammt womöglich aus der nahegelegenen Galaxie M82
- -Amaterasuist das zweitenergiereichste kosmische Astroteilchen, das jemals registriert wurde (2021 vom Telescope Array entdeckt).
- Die aktuellen Analysen zeigen, dass das Teilchen aus der nahegelegenen Galaxie M82 stammen könnte.
- Für ihre Analysen nutzten die Forscherinnen moderne Simulationsverfahren - und schufen damit einen Meilenstein für die zukünftige Suche nach kosmischen Quellen hochenergetischer Teilchen.
Astroteilchen sind Boten aus dem All, mit deren Hilfe Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Universum erforschen. Francesca Capel und Nadine Bourriche vom Max-Planck-Institut für Physik haben eines der energiereichsten kosmischen Teilchen untersucht, die jemals beobachtet wurden: das Amaterasu-Teilchen, benannt nach der japanischen Sonnengöttin. Es ist nicht klar, ob es sich bei dem Teilchen, das im Mai 2021 in die Erdatmosphäre eindrang, um ein Proton, einen leichten Atomkern oder einen schweren Eisen-Atomkern handelte. Die Energie dieses ursprünglichen Teilchens beträgt laut den Messungen mehr als hundert Exa-Elektronvolt und wurde bestimmt, indem Forschende auf einem 700 Quadratkilometer großen Feld in Utah, USA, Sekundärteilchen einfingen, die in der Atmosphäre vom Amaterasu-Teilchen ausgelöst wurden. Die Rekonstruktion der Energie schneller Teilchen aus dem All ist meist aufwendig genug, eine Suche nach der Quelle eine besondere Herausforderung für statistische Modelle. Die Analysen der Forscherinnen deuten darauf hin, dass das Ursprungsteilchen aus der nahegelegene Galaxie M82 stammen könnte. Mit ihrem neuen analytischen Ansatz ermöglichen sie der Forschungscommunity nun, mögliche Quellen anderer ultrahochenergetischer kosmischer Teilchen zu identifizieren.
Kosmische Strahlung besteht aus extrem schnellen, geladenen Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen. Das Amaterasu-Teilchen trägt die zweithöchste bisher jemals beobachtete Energieladung - etwa 40 Millionen Mal mehr Energie als Teilchen im Beschleuniger Large Hadron Collider am Cern. Solche Partikel sind äußerst selten und entstehen vermutlich in einigen der extremsten Umgebungen des Universums. Das Astroteilchen -Amaterasuschien bisher aus einer kosmischen Region zu uns zu gelangen, die -Local Voidheißt - ein Raum mit nur wenigen bekannten Galaxien oder energiereichen Objekten, die in der Lage wären, ein solches Teilchen zu erzeugen. Diese Annahmen stellten die Forschenden vor einem Rätsel.
Jenseits einer -leeren- Region des Weltraums
In ihrer Studie zeigen Francesca Capel und Nadine Bourriche, dass der Ursprung des Teilchens nicht auf eine scheinbar leere Region des Universums beschränkt sein muss. Stattdessen könnte er in einem breiteren Spektrum nahegelegener kosmischer Umgebungen liegen. -Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Amaterasu-Teilchen eher in einer sternbildenden Galaxie wie M82 entstanden ist, anstatt in einer Region geringer Materiedichte wie dem Local Void-, sagt Nadine Bourriche.
Diese Schlussfolgerungen beruhen auf einer neuartigen, datengestützten Methode, mit der die Forscherinnen den möglichen Weg des Teilchens durch den Weltraum nachverfolgen. Mithilfe detaillierter dreidimensionaler Simulationen der Ausbreitung kosmischer Strahlung und ihrer Wechselwirkung mit Magnetfeldern wendet -Dieser Ansatz vergleicht die Ergebnisse realistischer, physikalisch fundierter Simulationen mit tatsächlichen Beobachtungsdaten-, erklärt Bourriche.
Neue analytische Grundlagen für datengestützte Suchen
Durch die Kombination fortschrittlicher Simulationen mit modernen statistischen Methoden konnten die Forscherinnen Wahrscheinlichkeitskarten erstellen, die zeigen, wo das Teilchen entstanden sein könnte. Der in Er bietet ein leistungsfähiges Werkzeug, um Beobachtungen gezielt zu steuern und die Suche nach denjenigen kosmischen Quellen zu verfeinern, die Teilchen auf derart extreme Energien beschleunigen können.
-Die Untersuchung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung hilft uns, besser zu verstehen, wie das Universum in der Lage ist, Materie auf solche Energien zu beschleunigen-, sagt Francesca Capel, Leiterin der Forschungsgruppe Astrophysical Messengers am Max-Planck-Institut für Physik. -Gleichzeitig erlaubt sie uns, Umgebungen zu identifizieren, in denen wir das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen untersuchen können. Unser Ziel ist es, fortschrittliche statistische Analysemethoden zu entwickeln, um die verfügbaren Daten bestmöglich auszuschöpfen. So wollen wir ein tieferes Verständnis der möglichen Quellen dieser energiereichen Teilchen gewinnen.- Die neuen Ansätze ergänzen bestehende Forschungsbemühungen, indem sie eine engere Verbindung zwischen Theorie und Daten ermöglichen und Informationen aus unterschiedlichen Beobachtungen zusammenführen.
