Wissenschaftler nehmen die energiereichsten Photonen auf, die jemals aus dem Krebsnebel gekommen sind

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Die Physiker haben das energiereichste Licht entdeckt, das jemals aufgezeichnet wurde, und zwar aus dem Krebsnebel, den Überresten einer Supernova, rund 6500 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Forscher in Tibet verwendeten riesige Detektoren, um die Partikelschauer, die durch diese Gammastrahlen erzeugt wurden, als sie auf Partikel in der Erdatmosphäre trafen, ausfindig zu machen.

Mit Energien von 100–450 Billionen Elektronenvolt sind die Photonen rund 69-mal energiereicher als die Teilchen mit der höchsten Leistung im Large Hadron Collider.

Die hochenergetischen Gammastrahlenphotonen aus dem Krebsnebel wurden mit dem Tibet-AS-Gamma-Experiment nachgewiesen, einem so genannten Air Shower Observation Array mit Sitz in Yangbajain im Westen Chinas.

Das Experiment verwendet fast 600 Teilchendetektoren, die auf 65.000 Quadratmetern verteilt sind, um die Teilchenschauer zu erfassen, die beim Auftreffen der energiereichen Photonen auf die Erdatmosphäre entstehen.

Jedes der Photonen, die sie detektierten, hatte eine Energie von mehr als 100 Billionen Elektronenvolt, der zuvor detektierten Aufzeichnung, von denen einige das 4,5-fache erreichten.

Zum Vergleich: Photonen im sichtbaren Licht haben Energien um einige Elektronenvolt, während der Large Hadron Collider – der stärkste vom Menschen gebaute Teilchenbeschleuniger – nur Energien um 6,5 Billionen Elektronenvolt erreichen kann.

Der etwa 6500 Lichtjahre entfernte Krebsnebel entstand, als ein Stern in einer Supernova explodierte, die 1054 von chinesischen Astronomen entdeckt wurde.

Diese Explosion schuf die Bedingungen, unter denen extrem energiereiche Photonen erzeugt werden können.

Zunächst wurden geladene Teilchen wie Elektronen durch die Stoßwelle und die durch die Supernovaexplosion erzeugten Magnetkräfte auf hohe Energien gebracht.

Wenn diese energiereichen Elektronen im Krebsnebel mit energiearmen Photonen kollidieren, übertragen sie ihre Energie und machen die Photonen stattdessen energiereich.

Diese Photonen wandern durch den Weltraum und manche können sogar auf die Erde gelangen.

Wenn eines dieser hochenergetischen Photonen mit Partikeln in der Erdatmosphäre in Wechselwirkung tritt, entstehen Schauer von anderen subatomaren Partikeln – Elektronen und Positronen -, die mit Instrumenten auf der Erdoberfläche nachgewiesen werden können.

Die Herausforderung besteht jedoch darin, die Partikelschauer, die durch energiereiche Photonen in der Atmosphäre verursacht werden, von denen zu unterscheiden, die auch durch die viel häufiger vorkommenden kosmischen Strahlen erzeugt werden.

Zu diesem Zweck haben Experten unterirdische Detektoren verwendet, um alle Ereignisse auszuschließen, bei denen Myonen erzeugt wurden – Elementarteilchen, die im Wesentlichen die schwereren Verwandten von Elektronen sind -, da diese Teilchen in Schauern aus kosmischen Strahlen, jedoch nicht aus Photonen erzeugt werden.

Nachdem so viele myonenerzeugende Schauerereignisse wie möglich ausgeschlossen worden waren, blieben den Forschern 24 Partikelschauer über einen Zeitraum von drei Jahren, die möglicherweise von Photonen mit Energien über 100 Billionen Elektronenvolt ausgelöst wurden.

Einige der Schauerereignisse schienen sogar von Photonen mit Energien über 450 Billionen Elektronenvolt ausgelöst worden zu sein.

Die Forscher warnen davor, dass sechs der Ereignisse, die sie entdeckten, möglicherweise durch kosmische Strahlung und nicht durch energiereiche Photonen verursacht wurden, da der Ausschlussprozess auf Myonen-Basis ungewiss ist.

"Dieses Energiesystem war bisher nicht zugänglich", sagte die Astrophysikerin Petra Huentemeyer von der Michigan Technological University in Houghton, die nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Science News.

"Es ist eine aufregende Zeit" für Physiker, die Gammastrahlen studieren, fügte sie hinzu.

Durch die Suche nach Photonen mit noch höheren Energien konnten die Forscher genau herausfinden, wie die Teilchen ihre Energieschübe erhalten.

"Es muss eine Grenze geben, wie hoch die Energie der Photonen sein kann", sagte der Physiker David Hanna von der McGill University in Montreal, der ebenfalls nicht an dieser Studie beteiligt war.

Die Bestimmung dieser maximal möglichen Energie würde es Experten ermöglichen, ihre Theorien zu verfeinern.

Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters angenommen.

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