Die Rolle von Pulsaren bei der Entstehung der galaktischen kosmischen Strahlung

Neue FAU-Projektgruppe zum experimenteller Nachweis von kosmischer Strahlung durch hochenergetische Gammastrahlung aus der Umgebung von Pulsaren

„Es wäre für mich die Erfüllung eines Traumes“, sagt Dr. Alison Mitchell, die von der ETH Zürich an die FAU wechselt. Ab Oktober soll Dr. Mitchell mit ihrer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe am Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) die Rolle von Pulsaren bei der Entstehung der galaktischen, hochenergetischen kosmischen Strahlung untersuchen. Das Projekt ist auf sechs Jahre ausgelegt und wird mit fast 1,5 Millionen Euro gefördert.

Die Suche nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung

Die galaktische kosmische Strahlung entsteht innerhalb unserer Galaxie, der Milchstraße. Sie besteht hauptsächlich aus geladenen Teilchen, also Protonen, Ionen, Positronen und Elektronen, die unter extremen Bedingungen beschleunigt werden und mit hohem Energiegehalt auf die Erde treffen. Da bei dieser Beschleunigung Photonen, also Lichtteilchen erzeugt werden, führt auch die Gammastrahlung zum Hinweis der kosmischen Beschleuniger. Das wissen wir seit der Entdeckung der kosmischen Strahlung durch den österreichischen Physiker Victor Franz Hess im Jahr 1912.  Geladene Teilchen werden auf ihrem langen Weg zur Erde von interstellaren Magnetfeldern abgelenkt. Die Forschung nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung konzentriert sich daher auf ungeladene Teilchen wie Photonen oder Neutrinos. Denn sie treffen die Erde auf direktem Weg und geben somit Auskunft über ihren Entstehungsort. Alison Mitchell ist eine weltweit führende Wissenschaftlerin der Untersuchung hochenergetischen Photonen – der Gammastrahlung – aus dem Weltall.

Woher die kosmische Strahlung kommt, ob eine oder mehrere Quellpopulationen verantwortlich sind, ist noch immer nicht geklärt. Zu den aussichtsreichsten Kandidaten zählen Reste von Supernovae, die Umgebung rotierender Neutronensterne, sogenannter Pulsare, und Schwarze Löcher. „Viele Kollegen präferieren die Überreste von Supernovae, doch der experimentelle Nachweis ist bisher nicht eindeutig gelungen“, sagt Dr. Mitchell. Je länger die Sternexplosion zurückliege, desto geringer die erwartete Beschleunigung. Zudem können theoretische Untersuchungen noch nicht überzeugend zeigen, dass Teilchen in den Überresten einer Supernova auf die extrem hohen Energien beschleunigt werden können, die in der kosmischen Strahlung auftreten, so Mitchell. Daher sucht die Wissenschaft nach anderen Erklärungen. Mehrere Forschungsgruppen, beispielsweise in Frankreich, Polen und den USA, arbeiten an theoretischen Modellen, nach denen die Umgebung von Pulsaren für den Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung verantwortlich ist.

Erst seit 2019 konnte nachgewiesen werden, dass sogenannte Pulsarwindnebel in der Lage sind, Positronen und Elektronen auf Energien von 10^15 Elektronenvolt zu beschleunigen. Die Hauptkomponente der galaktischen kosmischen Strahlung, also Protonen und Ionen, könnten demnach ebenfalls ihren Ursprung in der Umgebung eines Pulsars haben. Für die Beschleunigung der Protonen durch Pulsare und deren Umgebung möchte Dr. Mitchell an der FAU den erhofften experimentellen Nachweis erbringen.  „Soweit ich weiß, ist das geplante umfassende Forschungsprogramm weltweit einzigartig“, sagt die Physikerin.

Mit gigantischen Teleskopen auf der Jagd

Da die hochenergetischen Teilchen mit Satelliten nur schwer nachzuweisen sind, nutzen Forschende die irdische Atmosphäre als Detektor. Sogenannte Tscherenkow-Teleskope fangen das schwache Leuchten ein, welches entsteht, wenn ein Photon der Gammastrahlung auf die Atmosphäre trifft. Mit den fünf Empfängern des HESS-Teleskops in Namibia lässt sich die Richtung der Gammastrahlung exakt bestimmen. Alison Mitchell arbeitet auch mit dem im Bau befindlichen Internationalen Großprojekt der erdbasierten Gammastrahlen-Astronomie, dem Cherenkov Telescope Array (CTA), an dem Forschende der FAU ebenfalls beteiligt sind, zusammen. „Im Laufe des Projektes werden weitere CTA-Teleskope auf der Kanareninsel La Palma und in Chile dazukommen, die eine höhere Auflösung und ein größeres Gesichtsfeld haben“, erklärt Dr. Mitchell.

Mithilfe von Algorithmen soll die Auflösung der Teleskope verbessert werden. Derzeit werden auch neue Methoden entwickelt, um räumlich ausgedehnte Gammastrahlen-Quellen zu erfassen. Wegen ihrer führenden Stellung auf dem Gebiet der theoretischen Astrophysik und der Neutrino-, Röntgen- und Gammastrahlenastronomie biete die FAU viele Schnittstellen für ihr Projekt, sagt Mitchell. „Höchstwahrscheinlich sind sowohl Supernovae als auch Pulsare für die galaktische kosmische Strahlung verantwortlich, aber ich glaube, dass Pulsare bis auf tausendfach höhere Energien beschleunigen können als die Überreste von Supernovae.“

Mehr zum Cherenkov Telescope Array (CTA)

Weitere Informationen:

Dr. Alison Mitchell
Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP)
alison.mw.mitchell@fau.de