Teilchen, wo kommt ihr denn her?
Rennstrecke für Teilchen im CERN
Die kosmische Strahlung gibt Physikern noch immer ein Rätsel auf. Sie fragen sich, woher die hochenergetischen Teilchen kommen und wie sie derart schnell geworden sind. Denn ihre Energien können noch deutlich höher sein als zum Beispiel die der Teilchen im Large Hadron Collider, dem 2008 in Betrieb gegangenen Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf. Wie also funktionieren die mächtigen natürlichen Beschleuniger der kosmischen Strahlung?
Auf jeden Fall ganz anders als die Quellen der sichtbaren Strahlung, des Lichts der Sterne. Diese wird auch thermische Strahlung genannt, ein Hinweis auf ihre Abhängigkeit von der Temperatur des leuchtenden Sterns. Allerdings gibt es keinen Himmelskörper, der als Quelle für eine derart energiereiche thermische Strahlung infrage kommen könnte. Es müssen also andere Mechanismen hinter den kosmischen Teilchen stecken.
Aber halt - Was ist mit dem Urknall? Mehr gebündelte Energie gab es zu keiner anderen Zeit im Universum. Allerdings ist die kosmische Strahlung schlicht zu jung, um schon beim Urknall vor etwa 15 Milliarden Jahren entstanden zu sein. Das zeigen die radioaktiven Kerne innerhalb der kosmischen Strahlung, deren Zerfallszeiten sehr kurz sind – höchstens ein paar Millionen Jahre alt können die Teilchen demnach in der Regel sein. Zu jung also sogar, um auch nur den Weg von einer anderen Galaxie zu unserer überwunden zu haben. Nur die energiereichsten Teilchen könnten aus anderen Galaxien stammen. Beim Urknall ist aber wohl keines von ihnen ins All entsandt worden.
Die Physiker haben stattdessen Supernova-Explosionen ins Visier genommen. Dabei explodiert ein Stern am Ende seiner Lebenszeit so gewaltig, dass dabei sehr große Energien frei werden. Es entsteht eine Schockwelle, die sich mit einigen zehntausend Kilometern pro Sekunde ausbreitet und in ihrem Magnetfeld auch Atomkerne mit sich führt. Diese geladenen Teilchen werden in der Schockwelle immer schneller, sie erfahren eine Kraft, die nach dem Physiker Enrico Fermi auch als Fermibeschleunigung bezeichnet wird. Nach der Beschleunigung breiten sich die hoch aufgeladenen Teilchen im All aus und können später auch zufällig auf die Erde treffen.
Supernova in der Milchstraße, entdeckt von Johannes Kepler im Jahr 1604
Diese Theorie gilt als gute Erklärung dafür, wie der größte Teil der kosmischen Strahlung entstanden sein muss. Allerdings reicht auch die Energie in Supernova-Explosionen nicht aus, um die energiereichsten Teilchen der kosmischen Strahlung zu erzeugen. Das könnten nur die Jets schaffen, Teilchenstrahlen aktiver Galaxien, durch die vermutlich noch deutlich stärkere Schockwellen entstehen als durch Supernova-Explosionen. Doch auch diese Theorie hat eine kleine Schwachstelle: Die Jets dürfen nicht allzu weit von unserer Galaxie entfernt liegen, damit der Weg der kosmischen Teilchen durch den interstellaren Raum nicht zu weit wird – denn dann würden sie durch Mikrowellenstrahlung zu stark gebremst. Also kommen nur vergleichsweise nahe liegende Jets als tatsächliche Quelle infrage – in einer Entfernung, in der aber nur sehr wenige Galaxien liegen. Die Spurensuche der Physiker nach dem Geburtsort der kosmischen Teilchen ist also noch längst nicht beendet.
Quellen u.a.:
http://www.astroteilchenphysik.de/; http://www.weltderphysik.de/; Bundesamt für Strahlenschutz
Rennstrecke für Teilchen im CERN
Auf jeden Fall ganz anders als die Quellen der sichtbaren Strahlung, des Lichts der Sterne. Diese wird auch thermische Strahlung genannt, ein Hinweis auf ihre Abhängigkeit von der Temperatur des leuchtenden Sterns. Allerdings gibt es keinen Himmelskörper, der als Quelle für eine derart energiereiche thermische Strahlung infrage kommen könnte. Es müssen also andere Mechanismen hinter den kosmischen Teilchen stecken.
Aber halt - Was ist mit dem Urknall? Mehr gebündelte Energie gab es zu keiner anderen Zeit im Universum. Allerdings ist die kosmische Strahlung schlicht zu jung, um schon beim Urknall vor etwa 15 Milliarden Jahren entstanden zu sein. Das zeigen die radioaktiven Kerne innerhalb der kosmischen Strahlung, deren Zerfallszeiten sehr kurz sind – höchstens ein paar Millionen Jahre alt können die Teilchen demnach in der Regel sein. Zu jung also sogar, um auch nur den Weg von einer anderen Galaxie zu unserer überwunden zu haben. Nur die energiereichsten Teilchen könnten aus anderen Galaxien stammen. Beim Urknall ist aber wohl keines von ihnen ins All entsandt worden.
Die Physiker haben stattdessen Supernova-Explosionen ins Visier genommen. Dabei explodiert ein Stern am Ende seiner Lebenszeit so gewaltig, dass dabei sehr große Energien frei werden. Es entsteht eine Schockwelle, die sich mit einigen zehntausend Kilometern pro Sekunde ausbreitet und in ihrem Magnetfeld auch Atomkerne mit sich führt. Diese geladenen Teilchen werden in der Schockwelle immer schneller, sie erfahren eine Kraft, die nach dem Physiker Enrico Fermi auch als Fermibeschleunigung bezeichnet wird. Nach der Beschleunigung breiten sich die hoch aufgeladenen Teilchen im All aus und können später auch zufällig auf die Erde treffen.
Supernova in der Milchstraße, entdeckt von Johannes Kepler im Jahr 1604
Quellen u.a.:
http://www.astroteilchenphysik.de/; http://www.weltderphysik.de/; Bundesamt für Strahlenschutz