Mikroquasare als Hauptbeschleuniger hochenergetischer kosmischer Strahlen in der Milchstraße identifiziert

Wissenschaftler, die das Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) in China nutzen, haben wesentliche Fortschritte bei der Klärung der Herkunft der energiereichsten kosmischen Strahlen erzielt. Die zentrale Erkenntnis identifiziert Mikroquasare – Systeme bestehend aus einem Schwarzen Loch und einem Begleitstern – als die wahrscheinlichsten Quellen für die Beschleunigung dieser Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Milchstraße. Diese Forschung ergänzt frühere Annahmen, die Supernova-Überreste als primäre Beschleuniger betrachteten, und vertieft das Verständnis extremer physikalischer Prozesse in Schwarzen-Loch-Systemen.

Das LHAASO-Observatorium, dessen Beobachtungen im April 2019 begannen, befindet sich in Daocheng, in der Autonomen Präfektur Garzê in der Provinz Sichuan, China, auf einer Höhe von 4.410 Metern über dem Meeresspiegel und erstreckt sich über eine Fläche von etwa 145 Hektar. Die Anlage, deren Hauptkomponenten 2021 fertiggestellt wurden, ist ein nationales Schlüsselprojekt Chinas. Sie ist darauf ausgelegt, Luftschauer zu untersuchen, die durch Gammastrahlen und kosmische Strahlen ausgelöst werden, wobei Komponenten wie das Water Cherenkov Detector Array (WCDA) eine hohe Empfindlichkeit gewährleisten. Die Forschung wird von Persönlichkeiten wie Cao Zhen, dem leitenden Forscher des LHAASO und Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), vorangetrieben.

Jüngste Analysen, die zu einer Entdeckung im Februar 2024 führten, konzentrierten sich auf die Beobachtung von Photonen mit Energien über 1 PeV innerhalb einer Struktur in der Cygnus-Sternentstehungsregion. Innerhalb dieser Blase wurde das höchste registrierte Photon mit einer Energie von 2,5 PeV gemessen, was auf die Existenz eines sogenannten „Super-PeVatrons“ hindeutet – eines extrem starken Beschleunigers, der kosmische Teilchen bis zu Energien von 20 PeV injizieren kann. Diese Beobachtungen liefern direkte Hinweise auf die Beschleunigungsmechanismen in Schwarzen-Loch-Systemen, die Materie verschlingen und Jets erzeugen.

Kosmische Strahlung, die hauptsächlich aus Protonen besteht, wird durch galaktische Magnetfelder abgelenkt, was ihre genaue Herkunftsverfolgung erschwert. Die Detektion von Gammastrahlen, die nicht von Magnetfeldern beeinflusst werden, dient daher als indirekter Beweis für die Quellen der geladenen Teilchen. Die neuen Daten legen nahe, dass Mikroquasare die Hauptverantwortlichen für die höchsten beobachteten Energien sind, insbesondere im Bereich des sogenannten „Knie“ des Energiespektrums der kosmischen Strahlung. Die Fähigkeit des Observatoriums, sowohl Gammastrahlen als auch kosmische Strahlen zu messen, ermöglicht eine präzise Untersuchung der Energiespektren und trägt zur Lösung eines astrophysikalischen Problems bei, das seit über hundert Jahren besteht.

Die Bestätigung der Mikroquasare als primäre Beschleuniger bis zu diesen Energien wird astrophysikalische Modelle zur Teilchenbeschleunigung in der Galaxie erheblich präzisieren. Die Studien decken die zentralen Mechanismen hinter der Entstehung kosmischer Strahlen auf und vertiefen das Verständnis für extreme physikalische Prozesse in Schwarzen-Loch-Systemen.