Kosmische Strahlung ist eine unserer wenigen direkten Proben von Materie von außerhalb des Sonnensystems. Sie sind hochenergetische Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen. Die meisten kosmischen Strahlen sind von ihren Atomen befreite Atomkerne, wobei Protonen (Wasserstoffkerne) am häufigsten vorkommen, aber auch Kerne von Elementen, die so schwer wie Blei sind, wurden schon gemessen. In der kosmischen Strahlung finden wir aber auch andere subatomare Teilchen wie Neutronen, Elektronen und Neutrinos.
Da es sich bei der kosmischen Strahlung um positiv geladene Protonen oder Kerne bzw. negativ geladene Elektronen handelt, können ihre Wege durch den Weltraum durch Magnetfelder abgelenkt werden (außer bei der energiereichsten kosmischen Strahlung). Auf ihrer Reise zur Erde bringen die Magnetfelder der Galaxie, des Sonnensystems und der Erde ihre Flugbahnen so durcheinander, dass wir nicht mehr genau wissen können, woher sie kommen. Das bedeutet, dass wir auf indirektem Weg feststellen müssen, woher die kosmische Strahlung kommt.
Da kosmische Strahlung elektrische Ladung trägt, ändert sich ihre Richtung, wenn sie durch Magnetfelder fliegt. Wenn die Teilchen uns erreichen, sind ihre Pfade völlig verworren, wie der blaue Pfad zeigt. Wir können sie nicht zu ihren Quellen zurückverfolgen. Das Licht reist direkt von der Quelle zu uns, wie der violette Pfad zeigt. (Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Eine Möglichkeit, mehr über kosmische Strahlung zu erfahren, ist die Untersuchung ihrer Zusammensetzung. Woraus bestehen sie? Welcher Anteil sind Elektronen? Protonen (oft als Wasserstoffkerne bezeichnet)? Heliumkerne? andere Kerne von Elementen aus dem Periodensystem? Es ist relativ einfach, die Menge der verschiedenen Elemente zu messen, da die unterschiedlichen Ladungen der einzelnen Kerne sehr unterschiedliche Signaturen ergeben. Schwieriger zu messen, aber ein besserer Fingerabdruck, ist die Isotopenzusammensetzung (Kerne desselben Elements, aber mit unterschiedlicher Neutronenzahl). Um die Isotope zu unterscheiden, muss jeder Atomkern gewogen werden, der in den Detektor für kosmische Strahlung eintritt.
Alle natürlichen Elemente des Periodensystems sind in der kosmischen Strahlung vorhanden. Dazu gehören Elemente, die leichter als Eisen sind und in Sternen produziert werden, und schwerere Elemente, die unter gewaltigen Bedingungen entstehen, wie zum Beispiel bei einer Supernova am Ende des Lebens eines massiven Sterns.
Das Cosmic Ray Isotope Spectrometer (CRIS – der Kasten auf der linken Seite der Sonde mit der gelben Beschriftung) auf der ACE-Sonde (Advanced Composition Explorer) liefert Messungen der Isotope galaktischer Kerne der kosmischen Strahlung, die von Helium bis Zink reichen. ACE wurde im August 1997 gestartet. (Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)
Detaillierte Unterschiede in ihren Häufigkeiten können uns etwas über die Quellen der kosmischen Strahlung und ihre Reise durch die Galaxie erzählen. Etwa 90 % der Kerne der kosmischen Strahlung sind Wasserstoff (Protonen), etwa 9 % sind Helium (Alphateilchen), und alle übrigen Elemente machen nur 1 % aus. Selbst in diesem einen Prozent gibt es sehr seltene Elemente und Isotope. Elemente, die schwerer als Eisen sind, sind im kosmischen Strahlungsfluss deutlich seltener, aber ihre Messung liefert wichtige Informationen, um das Ausgangsmaterial und die Beschleunigung der kosmischen Strahlung zu verstehen
SuperTIGER hängt an der Trägerrakete kurz vor seinem Start im Dezember 2012 mit dem Mount Erebus im Hintergrund. SuperTIGER ist ein Balloninstrument zur Messung kosmischer Strahlung, die schwerer als Eisen ist, um die Quelle der kosmischen Strahlung und ihre Beschleunigungsorte zu erforschen. Der erste Flug von SuperTIGER dauerte 55 Tage, ein Rekord in der Dauer für eine wissenschaftliche Ballon-Nutzlast mit langer Laufzeit in der Antarktis. (Credit: Ryan Murphy/Washington University)
Auch wenn wir die kosmische Strahlung nicht direkt zu einer Quelle zurückverfolgen können, kann sie uns dennoch etwas über kosmische Objekte sagen. Die meisten galaktischen kosmischen Strahlen werden wahrscheinlich in den Druckwellen von Supernova-Überresten beschleunigt. Die Überreste der Explosionen, die Gaswolken und Magnetfelder ausdehnen, können Tausende von Jahren überdauern, und das ist der Ort, an dem die kosmische Strahlung beschleunigt wird. Durch das Hin- und Herprallen im Magnetfeld des Überrests gewinnen einige der Teilchen zufällig an Energie und werden zu kosmischen Strahlen. Schließlich bauen sie so viel Geschwindigkeit auf, dass der Überrest sie nicht mehr zurückhalten kann und sie in die Galaxie entweichen.
Kosmische Strahlung, die in Supernovaüberresten beschleunigt wird, kann nur eine bestimmte maximale Energie erreichen, die von der Größe der Beschleunigungsregion und der Magnetfeldstärke abhängt. Es wurden jedoch kosmische Strahlen mit viel höheren Energien beobachtet, als Supernova-Überreste erzeugen können, und woher diese Ultra-Hochenergien kommen, ist eine offene große Frage in der Astronomie. Vielleicht kommen sie von außerhalb der Galaxie, von aktiven galaktischen Kernen, Quasaren oder Gammastrahlenausbrüchen. Oder vielleicht sind sie die Signatur einer exotischen neuen Physik: Superstrings, exotische dunkle Materie, stark wechselwirkende Neutrinos oder topologische Defekte in der Struktur des Universums selbst. Fragen wie diese verbinden die Astrophysik der kosmischen Strahlung mit der grundlegenden Teilchenphysik und der fundamentalen Natur des Universums.
Durch ein Magnetfeld in Supernova-Überresten eingeschlossen, bewegen sich hochenergetische Teilchen zufällig umher. Manchmal kreuzen sie die Schockwelle. Bei jeder Rundreise gewinnen sie etwa 1 Prozent ihrer ursprünglichen Energie. Nach Dutzenden bis Hunderten von Überquerungen bewegt sich das Teilchen nahe der Lichtgeschwindigkeit und kann schließlich entkommen. (Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Text aktualisiert: Juli 2017