Die Existenz einer blasenartigen Struktur – etwa zehn Millionen Mal größer als unser Sonnensystem – könnte erklären, wie ultrahochenergetische Gammastrahlen im Gegensatz zu früheren Theorien über ihren Ursprung in der Milchstraße entstanden sein könnten, sagten sie.
Der korrespondierende Autor Cao Zhen, Professor am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte gegenüber der staatlichen Nachrichtenagentur Xinhua, dass „dies der erste identifizierte Super-Kosmische-Strahlen-Beschleuniger ist“.
Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich um geladene Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen. Obwohl sie vor mehr als 100 Jahren entdeckt wurden, sind sich Wissenschaftler immer noch nicht sicher, wie die Strahlen, die die Erde erreichen, entstanden sind und wo sie ihren Ursprung haben.
Die neue Karte der Milchstraße chinesischer Wissenschaftler stellt Theorien zur kosmischen Strahlung in Frage
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Frühere Energiespektren der kosmischen Strahlung zeigten einen Wendepunkt bei etwa dem Energieniveau von 1 Petaelektronenvolt (PeV) – wegen seiner Form in den Diagrammen auch „Knie“ genannt.
Es wurde angenommen, dass kosmische Strahlen mit einer Energie von weniger als 1 PeV aus dem Inneren der Milchstraße stammen, während Strahlen mit einer Energie über diesem Punkt vermutlich von außerhalb unserer Galaxie stammen, sagte Cao gegenüber dem Sichuan News Network.
Im Jahr 2020 entdeckte Lhaaso jedoch ultrahochenergetische Photonen, die durch kosmische Strahlung mit einer Energie von über 1 PeV erzeugt wurden und von Cygnus stammten. Das neueste Papier beschreibt detailliert, wie diese Strahlen entstanden sein könnten.
Die Forscher fanden heraus, dass die blasenartige Struktur in der Sternentstehungsregion des Sternbildes – Cygnus X genannt – mehrere Photonen mit mehr als 1 PeV enthielt, darunter eines mit bis zu 2,5 PeV.
Im Zentrum der Blase identifizierte das Team einen massereichen Sternhaufen namens Cygnus OB2, der viele junge, heiße Sterne enthält, einige mit Oberflächentemperaturen von mehr als 35.000 Grad Celsius – bei denen es sich möglicherweise um den Superbeschleuniger der kosmischen Strahlung handelt.
Die Struktur und das Energiespektrum der Blase „werden durch die Annahme eines Teilchenbeschleunigers im Kern vernünftig reproduziert“, heißt es in dem Papier.
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Der Beschleuniger für kosmische Strahlung ist in der Lage, kosmische Strahlung mit einer Energie von 10 bis 25 PeV in den interstellaren Raum zu injizieren, die mit interstellarem Gas kollidiert und die beobachteten Photonen mit Energien von 1 PeV und höher erzeugt.
Cao sagte dem Sichuan News Network, dass die Sterne im Sternhaufen eine Strahlungsintensität hätten, die „hundert- bis millionenfach so groß sei wie die der Sonne“. Materialien, die durch Strahlungsdruck von der Oberfläche der Sterne geschleudert werden, erzeugen Hochgeschwindigkeitswinde, die mit interstellaren Medien kollidieren und so einen Teilchenbeschleuniger bilden.
„Nachdem der Beschleuniger gebildet wurde, werden mikroskopisch kleine Teilchen, die von Protonen dominiert werden, auf extrem hohe Energien beschleunigt, das sind die kosmischen Strahlen, die wir auf der Erde beobachten“, sagte Cao.
Die Forscher fanden heraus, dass die Gase, die die Blasenstruktur umgeben, mit der Intensität der Gammastrahlen korrelieren, die durch die Beschleunigung hochenergetischer Teilchen in den interstellaren Raum erzeugt werden.
„Eine solide Annahme ist, dass jede Quelle kosmischer Strahlung in unserer Galaxie eine solche Blase oder einen Halo aus kosmischer Strahlung hat“, schrieben sie in dem Artikel.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der kosmischen Strahlung war viel langsamer als erwartet – 100-mal weniger als bisher angenommen – was es den Forschern ermöglichte, die Blase zu beobachten, sagte Cao dem Sichuan News Network.
„Mit zunehmender Beobachtungszeit wird Lhaaso voraussichtlich mehr Beschleuniger für superkosmische Strahlung entdecken“, sagte er im Xinhua-Bericht. Cao fügte hinzu, dass er hofft, dass weitere Entdeckungen „das jahrhundertelange Rätsel um den Ursprung der kosmischen Strahlung lösen“ können.
Elena Amato, Astrophysikerin vom italienischen Nationalinstitut für Astrophysik, sagte, die Ergebnisse hätten „sehr relevante Konsequenzen für unsere Beschreibung des Transports kosmischer Strahlung in der Galaxie“.