Innsbruck/Wien – Aus den Tiefen des Alls treffen ständig Teilchen als Kosmische Strahlung auf die Erde. Manche dieser Teilchen sind auf extrem hohe Energiewerte beschleunigt worden. Wo das passiert, war bisher aber unklar. Ein internationales Forscherteam, darunter Innsbrucker Astrophysiker, hat nun im Fachjournal "Nature" das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße als Super-Beschleuniger identifiziert.

Entdeckt wurde die Kosmische Strahlung 1912 vom österreichischen Physiker Victor Franz Hess (1883-1964), er erhielt dafür 1936 den Nobelpreis. Heute weiß man, dass es sich dabei um geladene Teilchen, Wasserstoff- und Heliumkerne, Elektronen und Kerne anderer Elemente handelt, die aus dem Weltall kommend auf die Erdatmosphäre treffen.

Suche nach dem "Pevatron"

Die meisten energiearmen Teilchen stammen von der Sonne. Als Quelle energiereicher Protonen in unserer Galaxie wurden erst vor wenigen Jahren Supernovaüberreste identifiziert. Bei diesen Sternexplosionen werden die Teilchen auf bis zu 100 Teraelektronenvolt (100 Billionen Elektronenvolt, eV) beschleunigt. Zum Vergleich: Ein Photon des sichtbaren Lichts hat die Energie von etwa einem eV, im Teilchenbeschleuniger des Europäischen Labors für Teilchenphysik CERN in Genf prallen Protonen mit 13 Teraelektronenvolt aufeinander.

"Aus der Theorie und bestimmten Messungen wussten wir, dass es in der Milchstraße zumindest eine Quelle geben muss, die Protonen noch 1.000 Mal stärker beschleunigt, auf eine Energie von Petaelektronenvolt", sagt Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck. In Anlehnung an den US-Teilchenbeschleuniger "Tevatron", mit dem der Mensch erstmals Teilchen auf Teraelektronvolt-Energie brachte, nennen die Forscher diesen ominösen kosmischen Beschleuniger "Pevatron".

Die eingesetzten Mittel

Durch langjährige Beobachtung mit dem H.E.S.S.-Teleskop ("High Energy Stereoscopic System") in Namibia konnten die Wissenschafter nun erstmals ein solches "Pevatron" identifizieren. Mit großer Wahrscheinlichkeit handelt es sich um das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum unserer Galaxie, das etwa vier Millionen Mal mehr Masse hat als unsere Sonne. H.E.S.S. wird von Wissenschaftern aus 42 Instituten und Universitäten aus zwölf Ländern, darunter Österreich, betrieben.

Die Herkunft der Kosmischen Strahlung zu ermitteln ist gar nicht so einfach. Denn auf ihrem Weg durch das All werden die geladenen Teilchen von verschiedensten Magnetfeldern abgelenkt. In bestimmten Fällen können die Teilchen aber in der Nähe ihres Entstehungsorts mit anderen Teilchen oder Molekülen zusammenstoßen oder anders wechselwirken. Dabei entsteht Gammastrahlung, die auf ihrem Weg durchs All nicht abgelenkt wird. Die Gammastrahlen gestatten damit "einen direkten Blick in die 'Küchen' der Hochenergiephysik im Weltall", so Reimer.

Auf der Erde lässt sich diese Gammastrahlung nur indirekt nachweisen. Sobald sie auf die Luftmoleküle der Erdatmosphäre trifft, bilden sich nicht nur zahlreiche neue Teilchen, sondern auch schwach bläuliche, extrem kurze Lichtblitze, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Das derzeit empfindlichste Instrument zur Erfassung dieser Lichtblitze, das sogenannte Tscherenkow-Licht, ist das aus vier großen Spiegelteleskopen bestehende H.E.S.S..

Der wahrscheinlichste Kandidat

"Über zehn Jahre hinweg haben wir so sehr viele Hinweise auf Photonen im Hochenergie-Gammabereich aus dem Zentrum der Galaxie bekommen", sagte Reimer. Der Ursprung der Teilchen konnte auf eine Region mit nur rund 30 Lichtjahren Ausdehnung eingeschränkt werden. Dieser innerste Bereich der Milchstraße beherbergt zahlreiche verschiedene Objekte, die als Super-Beschleuniger in Frage kommen, "da gibt es einen Supernovaüberrest, einen offenen Sternenhaufen, Pulsare und das supermassive Schwarze Loch, das die wahrscheinlichste Quelle der Petaelektronenvolt-Protonen ist", sagte Reimer.

Sagittarius A* und die Materieverteilung in der Region liefern plausible Erklärungen für die beobachteten Phänomene. Demnach stoßen die vom Schwarzen Loch auf hohe Energien beschleunigten Protonen mit Molekülwolken zusammen und erzeugen dabei die über das Tscherenkow-Licht beobachtete Gammastrahlung. Weil die Protonen eine bestimmte Zeit vom Ort der Beschleunigung bis zu diesen Materiewolken benötigen, gehen die Wissenschafter davon aus, dass das Schwarze Loch über einen Zeitraum von mindestens 1.000 Jahren als Beschleuniger aktiv ist.

Die Messungen zeigen allerdings, dass Sagittarius A* allein nicht für den gesamten auf der Erde registrierten Fluss der hochenergetischen Kosmischen Strahlung verantwortlich sein kann. Sollte das Schwarze Loch aber in der Vergangenheit aktiver gewesen sein, dann könnte es tatsächlich für die gesamte galaktische Kosmische Strahlung im Energiebereich von Petaelektronenvolt verantwortlich sein, spekulieren die Wissenschafter. (APA, red, 16. 3. 2016)