Es wurde ein Teilchen entdeckt, dessen Energie selbst für den LHC zu hoch ist. Seine Herkunft stellt die gängigen Modelle in Frage

Ein auf der Erde registrierter hochenergetischer kosmischer Strahl stellt die gängigen Vorstellungen darüber in Frage, an welchen Orten im Universum solche extremen Teilchen entstehen können. Die Analyse liefert keine eindeutige Quelle, zeigt jedoch, dass unsere Instrumente zur Verfolgung solcher Ereignisse einer gründlichen Überarbeitung bedürfen.

Auf den ersten Blick scheint die Entdeckung eines Teilchens aus dem Weltraum nur eine weitere Routineinformation der modernen Astrophysik zu sein. Es gibt jedoch Ereignisse, die nicht nur aufgrund ihrer Seltenheit auffallen, sondern auch aufgrund der Bedeutung der Fragen, die sie aufwerfen. Dies war der Fall, als ein Detektor auf der Erde ein subatomares Teilchen mit einer so extremen Energie registrierte, dass Physiker gezwungen waren, neu zu überdenken, welche Umgebungen im Universum in der Lage sind, so etwas zu erzeugen.

Die in The Astrophysical Journal veröffentlichte Studie beschränkt sich nicht darauf, eine außergewöhnliche Beobachtung zu beschreiben. Sie schlägt einen neuen Ansatz zur Erforschung des Ursprungs einzelner kosmischer Teilchen vor, bei dem detaillierte physikalische Simulationen mit fortschrittlichen statistischen Methoden kombiniert werden. Das Ziel ist nicht, eine „Wunderquelle” zu finden, sondern unter Berücksichtigung aller Unsicherheiten des Prozesses einzugrenzen, welche Regionen des Kosmos mit einem so extremen Signal vereinbar sein könnten.

Ein Teilchen, das selbst für die moderne Physik außergewöhnlich ist

Hochenergetische kosmische Strahlung besteht aus geladenen Atomkernen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen. Sie kann nicht kontrolliert in Laboren erzeugt werden und trifft nur äußerst selten auf die Erde. Die meisten dieser Teilchen haben Energien, die weit unter denen liegen, die von den großen, vom Menschen gebauten Beschleunigern erreicht werden.

Das als Amaterasu bekannte Ereignis gehört zu einer außergewöhnlichen Kategorie. Es wurde 2021 vom Experiment Telescope Array in den Vereinigten Staaten entdeckt und seine Energie übersteigt die der im LHC beschleunigten Teilchen um das Zehnmillionenfache. Nach Angaben der Autoren der Studie handelt es sich um eines der energiereichsten Ereignisse, die jemals registriert wurden. Diese Zahl ist nicht nur spektakulär, sondern bedeutet auch, dass der Prozess, der das Teilchen beschleunigt hat, in einer astrophysikalischen Umgebung stattgefunden haben muss, die in der Lage ist, eine enorme Energiemenge in einem einzigen Atomkern zu konzentrieren.

Die Herkunft eines einzelnen Teilchens zu verfolgen, ist ein teuflisch schwieriges Unterfangen

Im Gegensatz zu Licht bewegen sich geladene Teilchen nicht in einer geraden Linie durch das Universum. Galaktische und extragalaktische Magnetfelder lenken ihre Bahnen auf komplexe Weise ab. Das bedeutet, dass die Richtung, aus der ein Teilchen auf die Erde trifft, keinen verlässlichen Hinweis auf seinen Ursprungsort gibt.

Im Fall von Amaterasu war das Rätsel noch größer, da die scheinbare Richtung auf die sogenannte Lokale Leere zeigte, eine Region des Weltraums mit wenigen bekannten Galaxien. Diese „kosmische Wüste” passt nicht gut zu den üblichen Modellen von Quellen, die Teilchen auf so extreme Energien beschleunigen können, wie aktive Galaxienkerne oder Umgebungen mit intensiver Sternentstehung.

Hinzu kommt eine weitere wichtige Ungewissheit: die Zusammensetzung des Teilchens. Es ist nicht dasselbe, ob es sich um ein leichtes Proton oder einen schweren Kern handelt, da beide unterschiedlich mit Magnetfeldern interagieren. Jede Hypothese impliziert eine andere Reihe möglicher Bahnen.

Ein neuer Ansatz mit Simulationen und fortgeschrittener Statistik

Die Neuheit der Arbeit liegt in der Methode. Anstatt die Energie und die Ankunftsrichtung separat zu analysieren, kombinieren die Autorinnen dreidimensionale Simulationen der Reise der Teilchen durch das Universum mit einer statistischen Technik, die als approximative Bayes’sche Berechnung bekannt ist. Dieser Ansatz ermöglicht es, realistische physikalische Modelle direkt mit den beobachteten Daten zu vergleichen, ohne auf übermäßige Vereinfachungen zurückzugreifen.

In der Praxis besteht das Verfahren darin, Millionen von Bahnen unter verschiedenen Hypothesen – Teilchentyp, Intensität der Magnetfelder, Entfernung zur Quelle – zu simulieren und diejenigen auszuwählen, die das detektierte Signal angemessen reproduzieren. Das Ergebnis ist kein exakter Punkt am Himmel, sondern eine Wahrscheinlichkeitskarte, die angibt, welche Regionen des Universums mit dem beobachteten Ereignis vereinbar sind.

Dieser gemeinsame Ansatz verringert das Risiko, aus einem einzigen Parameter irreführende Schlussfolgerungen zu ziehen. Die extreme Energie und die Ankunftsrichtung werden als Teile desselben Problems interpretiert.

Was ändert sich bei der Suche nach dem Ursprung von Amaterasu?

Als dieser Rahmen auf den konkreten Fall von Amaterasu angewendet wurde, war das Ergebnis weniger spektakulär als ein „identifizierter Ursprung”, aber aus wissenschaftlicher Sicht aufschlussreicher. Simulationen zeigen, dass die Bandbreite möglicher Quellen größer ist, als frühere Analysen vermuten ließen. Nicht alles lässt sich auf die Lokale Leere zurückführen: Es gibt nahegelegene Regionen mit intensiver Aktivität, die ebenfalls ein so energiereiches Teilchen hätten hervorbringen können.

Darüber hinaus erweitert sich die Bandbreite der Ursprünge, wenn man davon ausgeht, dass es sich bei dem Teilchen um einen schweren Kern handelte, da die magnetischen Abweichungen dann größer wären. Dies unterstreicht eine zentrale Idee: Um diese Ereignisse zu verstehen, reicht es nicht aus, nur die Energie zu messen, sondern es ist auch entscheidend, die Zusammensetzung jedes Teilchens zu kennen.

Warum solche Ereignisse für die Grundlagenphysik wichtig sind

Über den Einzelfall von Amaterasu hinaus zeigt die Arbeit, dass selbst eine einzige extreme Detektion relevante Informationen liefern kann, wenn sie mit geeigneten Werkzeugen analysiert wird. Ultraenergetische kosmische Strahlen erreichen Energieregime, die auf der Erde nicht reproduzierbar sind, was sie zu einer Art „natürlichem Experiment” für die Teilchenphysik und Astrophysik macht.

Die Studie unterstreicht auch die Bedeutung einer Verbesserung der Modelle kosmischer Magnetfelder. Ein Großteil der Unsicherheit bei der Rekonstruktion von Flugbahnen rührt daher, dass diese unsichtbaren Strukturen, die die Reise der Teilchen durch das Universum prägen, nicht gut bekannt sind.

Ein besser eingegrenztes, aber ungelöstes Rätsel

Die Analyse schließt den Fall keineswegs ab, sondern definiert das Problem neu. Es gibt keine eindeutige und einzige Quelle, aber einen solideren Rahmen für die Untersuchung zukünftiger Ereignisse. Wenn Observatorien neue extreme Teilchen entdecken, ermöglicht dieser Ansatz den Vergleich von Fällen, die Suche nach Mustern und das Ausschließen unnötig exotischer Erklärungen.

Amaterasu bleibt ein Rätsel, aber jetzt in einem produktiveren Sinne: nicht als isolierte, verwirrende Information, sondern als Hinweis, der uns zwingt, die Werkzeuge zu verfeinern, mit denen wir zu verstehen versuchen, wie das Universum Materie bis an Grenzen beschleunigt, die selbst unsere beste experimentelle Physik herausfordern.