Ein seltener, äußerst energiereicher kosmischer Strahl hat mysteriöse Ursprünge.

Das "Oh-My-God"-Teilchen hat einen neuen Begleiter.

Physiker entdeckten 1991 ein Teilchen aus dem Weltraum, das mit so viel Energie auf die Erde stürzte, dass ein "OMG!" angemessen schien. Mit 320 Quintillionen Elektronenvolt oder Exaelektronenvolt hatte es die kinetische Energie eines Baseballs, der mit etwa 100 Kilometern pro Stunde dahinrauscht.

Jetzt haben Forscher in der Studie vom 24. November in Science ein Teilchen mit vergleichbarer Energie entdeckt. Es wurde 2021 durch das "Telescope Array"-Experiment in der Nähe von Delta, Utah, entdeckt und hatte eine Energie von etwa 240 Exaelektronenvolt. Und mysteriöserweise können Wissenschaftler keine kosmische Quelle für das Teilchen ausfindig machen.

"Es handelt sich um eine enorme, enorme Energiemenge, aber in einem winzigen, winzigen, winzigen Objekt", sagt der Astroteilchenphysiker John Matthews von der University of Utah in Salt Lake City und Mitverantwortlicher der "Telescope Array"-Kollaboration.

Kosmische Strahlen bestehen aus Protonen und Atomkernen, die mit einer breiten Palette von Energien durch den Weltraum rasen. Teilchen mit Energien über 100 Exaelektronenvolt sind äußerst selten: Im Durchschnitt fällt ein solches Teilchen auf einen Quadratkilometer der Erdoberfläche pro Jahrhundert. Und Teilchen über 200 Exaelektronenvolt sind noch seltener - nur einige solcher Teilchen wurden zuvor entdeckt.

Wenn eine kosmische Strahlung auf die Erde trifft, kollidiert sie mit einem Kern eines Atoms in der Atmosphäre und erzeugt eine Kaskade anderer Teilchen, die auf der Erdoberfläche nachgewiesen werden können.

Um die seltensten, höchstenergetischen Teilchen zu erfassen, bauen Wissenschaftler riesige Detektorarrays. Das "Telescope Array" überwacht eine Fläche von 700 Quadratkilometern mit über 500 Detektoren aus Kunststoffszintillator, einem Material, das Licht emittiert, wenn es von einem geladenen Teilchen getroffen wird. Zusätzliche Detektoren messen ultraviolettes Licht, das am Himmel durch den Partikelregen erzeugt wird (obwohl diese Detektoren während des Eintreffens des neu gemeldeten Teilchens nicht in Betrieb waren). Anhand der Zeiten, zu denen die einzelnen Szintillatordetektoren von der Teilchenkaskade getroffen wurden, können Wissenschaftler die Richtung der einfallenden kosmischen Strahlung bestimmen und diese Information nutzen, um ihre Ursprünge zurückverfolgen.

Äußerst hochenergetische kosmische Strahlen kommen von außerhalb der Milchstraße, aber ihre genauen Quellen sind unbekannt (SN: 21.9.17). Die meisten Wissenschaftler glauben, dass sie in gewalttätigen kosmischen Umgebungen beschleunigt werden, wie den Strahlenjets, die aus den Bereichen um bestimmte supermassereiche Schwarze Löcher hervorschießen, oder den "Starburst"-Galaxien, die Sterne in einem hektischen Tempo bilden.

Unabhängig von ihren Ursprüngen müssen die Teilchen aus der relativ nahen kosmischen Nachbarschaft stammen. Das liegt daran, dass hochenergetische kosmische Strahlen auf ihrem Weg Energie verlieren, indem sie mit der kosmischen Hintergrundstrahlung interagieren, dem Nachglühen des Urknalls (SN: 24.7.18).

Die Rückverfolgung des Ortes des Teilchens ist kompliziert. "Das Problem besteht darin, dass die Ankunftsrichtung, die man bekommt, wenn man eine hochenergetische kosmische Strahlung auf der Erde detektiert, nicht auf die Quelle weisen wird, weil sie von ... einem möglichen Magnetfeld abgelenkt wird", sagt die "Telescope Array"-Mitarbeiterin Noémie Globus, eine Astroteilchenphysikerin an der University of California, Santa Cruz und am RIKEN-Forschungsinstitut in Japan.

Die in der Milchstraße und ihrer Umgebung vorhandenen Magnetfelder streuen die kosmischen Strahlen wie Nebel das Licht streut. Um das Teilchen zu seinem Ursprungsort zurückzuverfolgen, müssen Wissenschaftler diese Streuung berücksichtigen. Doch diese Rückverfolgung führte zu einem kosmischen Vakuum, einer Region des Raums mit nur wenigen Galaxien, geschweige denn solchen mit gewalttätigen Vorgängen.

Das macht dieses Teilchen besonders interessant, sagt die Astrophysikerin Vasiliki Pavlidou von der University of Crete in Heraklion, Griechenland. "Es weist tatsächlich auf überhaupt nichts hin, absolut mitten im Nirgendwo."

Das könnte darauf hinweisen, dass Wissenschaftler etwas übersehen. Zum Beispiel müssen die Forscher möglicherweise das magnetische Feld der Galaxie besser verstehen, sagt Pavlidou, die nicht an der Forschung beteiligt war.

"Jedes Mal, wenn man eines dieser sehr energiereichen Ereignisse hat, ist es aufgrund ihrer Seltenheit bedeutend."