Kosmische Strahlung: «Amaterasu»-Teilchen mit extremer Energie gibt Rätsel auf

Ein kosmisches Teilchen mit der zweithöchsten jemals registrierten Energie hat die Diskussion über physikalische Phänomene jenseits des Bekannten wieder angefacht. Am 27. Mai 2021 registrierten 23 Detektoren des Telescope Array in Utah kosmische Strahlung mit einer Energie von 2,4 × 10^20 Elektronenvolt, das entspricht in etwa einem Tritt in den Hintern. Mehr Energie hatte bisher lediglich ein 1991 detektiertes Teilchen mit 3,2 × 10^20 Elektronenvolt, das auf den Namen «Oh-My-God particle» getauft wurde. Analog dazu nennt das Team das neue Teilchen «Amaterasu particle» nach der japanischen Sonnengöttin. Bisher ist kein physikalischer Prozess bekannt, der einzelne Teilchen auf so hohe Energien beschleunigen kann.

«Prozesse, die man gemeinhin als energiereich versteht, zum Beispiel Supernovae, sind nicht annähernd energiereich genug dafür», sagt John Matthews von der University of Utah und einer der Sprecher der Teleskopkollaboration, die das Teilchen detektierte. «Man braucht extrem starke magnetische Felder, um das Teilchen einzuschliessen, während es beschleunigt wird.» Wie das Team jetzt in der Fachzeitschrift «Science» berichtet, ist ausserdem völlig mysteriös, von welcher Quelle das Teilchen kommt. Es traf die Detektoren etwa aus der Richtung der Lokalen Leere, einer enormen, weitgehend leeren Weltraumregion nahe der Lokalen Gruppe von Galaxien, zu der unser Milchstrassensystem gehört.

Ausserdem muss das Teilchen aus der näheren Nachbarschaft stammen; wie die Arbeitsgruppe berechnet, kann es nicht mehr als einige Dutzend Millionen Lichtjahre weit gereist sein, sonst hätte es seine Energie durch Wechselwirkungen mit Magnetfeldern und dem kosmischen Mikrowellenhintergrund verloren. Eine so hochenergetische Quelle in relativer Nachbarschaft müsste man eigentlich sehen. «Diese Teilchen haben so hohe Energien, dass sie nicht von galaktischen oder extragalaktischen Magnetfeldern abgelenkt werden sollten», erklärt Matthews. «Man sollte zeigen können, woher am Himmel sie kommen.» Die rund 30 bisher von dem Teleskopverbund registrierten extrem energiereichen Teilchen über 10^20 Elektronenvolt scheinen jedoch ohne erkennbare Häufung aus allen Bereichen des Himmels gekommen zu sein.

Fachleute sind deswegen völlig ratlos, welche Prozesse hinter den enorm hohen Energien stecken könnten. Neben Vorgängen rund um relativ konventionelle Objekte wie rotierende extrem massereiche Schwarze Löcher, Gammastrahlenausbrüche oder Neutronensterne haben Arbeitsgruppen ausserdem exotische Erklärungen für die hohen Energien ins Gespräch gebracht, die über die aktuell bekannte Physik hinausgehen. So zum Beispiel Sterne aus bisher unbekannten Materiezuständen auf der Basis von Strange-Quarks oder anderen subatomaren Teilchen oder gar noch ungewöhnlichere Prozesse im freien Weltraum. «Es könnten Defekte in der Struktur der Raumzeit sein oder kollidierende kosmische Strings», sagt Koautor John Belz von der University of Utah. «Ich werfe da auch nur mit verrückten Ideen herum, die sich andere Leute ausgedacht haben, weil es keine konventionelle Erklärung gibt.»

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