Supernovae produzieren kosmische Strahlung

Vor etwas mehr als 100 Jahren entdeckte Victor Franz Hess (1883-1964) die kosmische Strahlung. Woher sie kommt, galt lange als unklar. Mittlerweile weiß man, dass die meisten energiearmen Teilchen aus der auf der Erde eintreffenden Strahlung von der Sonne stammen. Bei höherenergetischen Teilchen (Protonen) sprachen bisher alle Indizien für die Explosionen von massereichen Sternen (Supernovae) in der Milchstraße als Urheber. Nun haben Forscher, darunter Astrophysiker Olaf Reimer von der Uni Innsbruck, zweifelsfrei festgestellt, dass die Protonen aus der kosmischen Strahlung von Supernova-Überresten beschleunigt werden. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift "Science" veröffentlicht.

Hess entdeckte die kosmische Strahlung am 7. August 1912 bei einer Ballonfahrt in mehr als 5.000 Metern Höhe. Er wurde dafür 1936 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Heute weiß man, dass geladene Teilchen, Wasserstoff- und Heliumkerne, Elektronen und Kerne anderer Elemente aus dem Weltall kommend auf die Erdatmosphäre treffen. Je nachdem, woher die Teilchen stammen und wie sie beschleunigt wurden, haben sie Energien von 10 hoch 3 (tausend) bis 10 hoch 20 (hundert Trillionen) Elektronenvolt (eV). Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat etwa 1 eV.

Schon seit Jahrzehnten wurde ein Zusammenhang zwischen der galaktischen kosmischen Strahlung und Sternenexplosionen vermutet. Dabei ging man davon aus, dass die Teilchen in der sich ausbreitenden Supernova-Schockwelle auf so hohe Energien beschleunigt werden. Beim tatsächlichen Nachweis standen die Wissenschafter allerdings vor einem Problem: Aus den Protonen kann man nicht auf ihren kosmischen Geburtsort rückschließen. Denn intergalaktische Magnetfelder lenken die Teilchen auf dem Weg zur Erde ab und verwischen so Hinweise auf ihren Ursprung.

Doch der Gammastrahlenbereich bietet eine Möglichkeit, der Herkunft nachzuspüren. Denn bei ihrer Beschleunigung in der Supernovae-Schockwelle wechselwirken die Protonen miteinander. Dabei entstehen neutrale Pionen, die nach kurzer Zeit zerfallen und dabei Gammastrahlen freisetzen. "Dieser Prozess führt im Spektrum der Gammastrahlen zu charakteristischen Veränderungen, die nun erstmals erstmal bei der Beobachtung einzelner Gammastrahlungsquellen nachgewiesen werden konnten", so Reimer im Gespräch mit der APA. Damit habe eine eindeutige Verbindung zwischen der Existenz energiereicher Protonen und den Orten von Supernova-Überresten hergestellt werden können.

Stefan Funk von der Stanford University (USA) und seine Kollegen habe dazu vier Jahre lang mit dem Large Area Telescope (LAT), dem Hauptinstrument des Gammastrahlen-Weltraumteleskops "Fermi", die Supernovaüberreste W44 und IC 443 beobachtet. IC 443 ist rund 5.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Zwillinge, W44 rund 10.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Adler. In ihrem Gammastrahlenspektrum zeigten sie die lange gesuchte charakteristische Signatur für den Zerfall neutraler Pionen.

Die Wissenschafter wollen sich nun darauf konzentrieren, besser zu verstehen, wie Protonen und schwerere Kerne in den Supernovae-Überresten Energie gewinnen. Unklar ist auch noch, bis zu welcher Energie Teilchen in der Milchstraße überhaupt beschleunigt werden können. Völlig rätselhaft ist auch, woher die Energieprotze in der kosmischen Strahlung kommen, Teilchen mit Energien von bis zu 10 hoch 20 eV. Ziemlich sicher ist man nur, dass sie von außerhalb unserer Galaxie stammen. Ein Observatorium, das zumindest die Fragen aus der Milchstraße klären könnte, ist mit dem "Cherenkov Telescope Array" bereits in Planung.