Das Telescope Array entdeckt den zweithöchsten je gemessenen energiereichen kosmischen Strahl.

23.November 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Merkmale hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

• Tatsachenprüfung
• peer-reviewte Veröffentlichung
• vertrauenswürdige Quelle
• korrekturgelesen

von der University of Utah

1991 entdeckte das Fly's Eye-Experiment der University of Utah den bisher energiereichsten kosmischen Strahl. Später als Oh-My-God-Teilchen bezeichnet, schockierte die Energie des kosmischen Strahls die Astrophysiker. Nichts in unserer Galaxie hatte die Kraft, es zu erzeugen, und das Teilchen hatte mehr Energie, als theoretisch für kosmische Strahlen möglich war, die von anderen Galaxien zur Erde reisen. Einfach ausgedrückt sollte das Teilchen nicht existieren.

Seither hat das Telescope Array mehr als 30 ultra-hochenergetische kosmische Strahlen beobachtet, von denen jedoch keine an die Energie des Oh-My-God-Teilchens heranreicht. Noch ist nicht geklärt, woher sie stammen oder wie sie zur Erde gelangen können.

Am 27. Mai 2021 entdeckte das Telescope Array-Experiment den zweithöchsten kosmischen Strahl mit extrem hoher Energie. Mit einer Energie von 2,4 x 1020eV entspricht die Energie dieses einzelnen Subatomteilchens dem Fall eines Ziegels aus Hüfthöhe auf den Zeh. Das Experiment wurde von der University of Utah (U) und der University of Tokyo geleitet und verwendete das Telescope Array, das aus 507 Oberflächendetektoren besteht, die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind und eine Fläche von 700 km2 (~270 sq mi) außerhalb von Delta, Utah, in der Westwüste des Bundesstaates abdecken.

Das Ereignis löste 23 Detektoren in der nordwestlichen Region des Telescope Array aus und erstreckte sich über eine Fläche von 48 km2 (18,5 Quadratmeilen). Die Ankunftsrichtung schien aus der Local Void zu kommen, einem leeren Raum neben der Milchstraßengalaxie.
Die aufgezeichnete Signale und die Animations des extrem energiereichen Teilchens, genannt das "Amaterasu"-Teilchen. Kredit: Osaka Metropolitan University

'Die Teilchen haben so eine hohe Energie, dass sie nicht von galaktischen und extragalaktischen Magnetfeldern beeinflusst werden sollten. Man sollte in der Lage sein, auf den Himmel zu zeigen, wo sie herkommen', sagte John Matthews, Sprecher des Telescope Array an der U und Mitautor der Studie. 'Aber im Fall des Oh-My-God-Teilchens und dieses neuen Teilchens verfolgen Sie seine Trajektorie bis zu seiner Quelle und es gibt nichts mit ausreichend hoher Energie, um es produziert zu haben. Das ist das Rätsel daran – was zum Teufel geht hier vor sich?'

In ihrer in der Zeitschrift Science veröffentlichten Beobachtung beschreiben eine internationale Kollaboration von Forschern den ultra-hochenergetischen kosmischen Strahl, bewerten dessen Eigenschaften und kommen zu dem Schluss, dass diese seltenen Phänomene einer Teilchenphysik folgen könnten, die der Wissenschaft noch unbekannt ist.

Die Forscher gaben ihm den Namen Amaterasu-Teilchen nach der Sonnengöttin der japanischen Mythologie. Das Oh-My-God- und das Amaterasu-Teilchen wurden mit unterschiedlichen Beobachtungstechniken entdeckt, was bestätigt, dass diese ultrahochenergetischen Ereignisse zwar selten, aber real sind.

'Diese Ereignisse scheinen aus völlig unterschiedlichen Teilen des Himmels zu kommen. Es ist nicht so, als ob es eine mysteriöse Quelle gäbe', sagte John Belz, Professor an der U und Mitautor der Studie. 'Es könnten Defekte in der Struktur von Raum und Zeit sein, kollidierende kosmische Strings. Ich meine, ich werfe hier einfach verrückte Ideen in den Raum, die die Leute entwickeln, weil es keine konventionelle Erklärung gibt.'

Kosmische Strahlen sind Echo von gewalttätigen Himmelsereignissen, bei denen Materie bis zu ihrer subatomaren Struktur abgestreift und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum geschleudert wird. Kosmische Strahlen sind im Wesentlichen geladene Teilchen mit einer breiten Palette von Energien, bestehend aus positiven Protonen, negativen Elektronen oder sogar ganzen Atomkernen, die durch den Weltraum reisen und nahezu kontinuierlich auf die Erde niederregnent.

Kosmische Strahlen treffen auf die obere Atmosphäre der Erde und zerteilen den Kern von Sauerstoff- und Stickstoffgas und erzeugen dabei viele Sekundärteilchen. Diese legen eine kurze Strecke in der Atmosphäre zurück und wiederholen den Prozess, wodurch ein Regen aus Milliarden von Sekundärteilchen entsteht, die sich über die Oberfläche verteilen. Der Fußabdruck dieses sekundären Schauers ist enorm und erfordert, dass Detektoren eine Fläche wie das Telescope Array abdecken. Die Oberflächendetektoren nutzen eine Reihe von Instrumenten, die den Forschern Informationen über jede kosmische Strahlung liefern; die Timing des Signals zeigt ihre Trajektorie und die Menge der geladenen Teilchen, die auf jeden Detektor treffen, gibt Aufschluss über die Energie des primären Teilchens.

Because particles have a charge, their flight path resembles a ball in a pinball machine as they zigzag against the electromagnetic fields through the cosmic microwave background. It's nearly impossible to trace the trajectory of most cosmic rays, which lie on the low- to middle-end of the energy spectrum. Even high-energy cosmic rays are distorted by the microwave background. Particles with Oh-My-God and Amaterasu energy blast through intergalactic space relatively unbent. Only the most powerful of celestial events can produce them.

'Things that people think of as energetic, like supernova, are nowhere near energetic enough for this. You need huge amounts of energy, really high magnetic fields to confine the particle while it gets accelerated,' said Matthews.

Ultra-high-energy cosmic rays must exceed 5 x 1019 eV. This means that a single subatomic particle carries the same kinetic energy as a major league pitcher's fastball and has tens of millions of times more energy than any human-made particle accelerator can achieve.

Astrophysicists calculated this theoretical limit, known as the Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK) cutoff, as the maximum energy a proton can hold traveling over long distances before the effect of interactions of the microwave background radiation takes their energy.

Known source candidates, such as active galactic nuclei or black holes with accretion disks emitting particle jets, tend to be more than 160 million light years away from Earth. The new particle's 2.4 x 1020 eV and the Oh-My-God particle's 3.2 x 1020 eV easily surpass the cutoff.

Researchers also analyze cosmic ray composition for clues of its origins. A heavier particle, like iron nuclei, are heavier, have more charge and are more susceptible to bending in a magnetic field than a lighter particle made of protons from a hydrogen atom. The new particle is likely a proton. Particle physics dictates that a cosmic ray with energy beyond the GZK cutoff is too powerful for the microwave background to distort its path, but back-tracing its trajectory points towards empty space.

'Maybe magnetic fields are stronger than we thought, but that disagrees with other observations that show they're not strong enough to produce significant curvature at these 1020 electron volt energies,' said Belz. 'It's a real mystery.'

The Telescope Array is uniquely positioned to detect ultra-high-energy cosmic rays. It sits at about 1,200 m (4,000 ft), the elevation sweet spot that allows secondary particles maximum development, but before they start to decay. Its location in Utah's West Desert provides ideal atmospheric conditions in two ways: the dry air is crucial because humidity will absorb the ultraviolet light necessary for detection; and the region's dark skies are essential, as light pollution will create too much noise and obscure the cosmic rays.

Astrophysicists are still baffled by the mysterious phenomena. The Telescope Array is in the middle of an expansion that that they hope will help crack the case. Once completed, 500 new scintillator detectors will expand the Telescope Array will sample cosmic ray-induced particle showers across 2,900 km2 (1,100 mi2 ), an area nearly the size of Rhode Island. The larger footprint will hopefully capture more events that will shed light on what's going on.

Journal information: Science

Provided by University of Utah