Rätsel um Amaterasu-Teilchen: Woher stammt das kosmische Extremteilchen? Forscher widerlegen alte Vermutung
Ein einzelnes Teilchen mit unvorstellbarer Energie gibt der Forschung Rätsel auf. Neue Untersuchungen zeigen nun, dass sein Ursprung höchstwahrscheinlich nicht im kosmischen Niemandsland, dem Local Void, liegt, sondern dass es einer aktiven Nachbargalaxie entstammt.
Astroteilchen sind wie natürliche Boten aus dem All, an denen Vorgänge in extremen kosmischen Umgebungen untersucht werden können. Am Max-Planck-Institut für Physik (MPP) haben Forschende nun eines der außergewöhnlichsten Teilchen untersucht, das jemals beobachtet wurde: das sogenannte Amaterasu-Teilchen.
Kosmische Strahlung besteht aus elektrisch geladenen Teilchen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen. Wo und wie sie auf solch extreme Energien beschleunigt werden, wird bisher nur teilweise verstanden. Besonders das Amaterasu-Teilchen hat Forschende vor ein Problem gestellt.
Rätselhaftes Teilchen
Das Amaterasu-Teilchen ist kein neues Elementarteilchen im physikalischen Sinn, sondern ein einzelnes, ultrahochenergetisches kosmisches Teilchen (Ultra-High-Energy Cosmic Ray, UHECR) – also ein geladenes Teilchen, sehr wahrscheinlich ein Proton oder ein schwererer Atomkern, das mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten durchs All geflogen ist.
Im Jahr 2021 wurde das Teilchen vom Telescope Array in Utah (USA) entdeckt, einem großflächigen Detektorsystem, das kosmische Strahlung indirekt misst. Trifft ein solches Teilchen auf die Erdatmosphäre, löst es eine Kaskade aus Milliarden sekundärer Teilchen aus, einen sogenannten Luftschauer, aus dessen Eigenschaften sich Energie und Ankunftsrichtung des ursprünglichen Teilchens rekonstruieren lassen.
Der Name Amaterasu verweist auf die japanische Sonnengöttin, was die außergewöhnliche Strahlkraft des Ereignisses unterstreichen soll. Physikalisch unterscheidet sich das Teilchen grundsätzlich nicht von anderen kosmischen Strahlungsteilchen; es ist vielmehr ein Extrembeispiel derselben Klasse.
Wissenschaftlich ist Amaterasu so spannend, weil Teilchen mit dieser Energie nur in den gewaltigsten astrophysikalischen Umgebungen entstehen können, etwa in Regionen intensiver Sternentstehung, bei extremen Explosionen wie Supernovae oder bei supermassereichen Schwarzen Löchern. Gleichzeitig sind solche Ereignisse äußerst selten – weltweit wird in vielen Jahren nur ein einziges solches Teilchen gemessen.
Jenseits des Local Void
Bei dem Ereignis von 2021 deutete seine scheinbare Ankunftsrichtung auf den sogenannten Local Void hin – das ist eine Region des Universums, in der nur wenige Galaxien existieren. Es fehlen also bekannte Objekte, die als Antrieb infrage kämen. Die Annahme, dass das Teilchen dieser kosmischen Leere entsprang, passte demnach nur schwer ins Bild.
Dr. Francesca Capel und Nadine Bourriche von der MPP-Forschungsgruppe Astrophysical Messengers zeigen nun in ihrer Studie, dass der Ursprung des Teilchens nicht zwangsläufig in dieser scheinbar leeren Region liegen muss. Vielmehr seien laut Analyse mehrere mögliche Herkunftsorte wahrscheinlich.
– Nadine Bourriche, Doktorandin in der Forschungsgruppe Astrophysical Messengers, Max-Planck-Institut für Physik
Galaxien wie M82 sind bekannt für intensive Sternentstehung und starke astrophysikalische Vorgänge. – Die Forscherinnen rekonstruierten den möglichen Weg des Teilchens durch den Kosmos, indem sie dreidimensionale Simulationen anfertigten, bei denen auch kosmische Magnetfelder berücksichtigt wurden, die das Teilchen möglicherweise abgelenkt haben könnten.
Neue Werkzeuge für die Astroteilchenphysik
Bei der Untersuchung wurde eine statistische Methode namens Approximate Bayesian Computation verwendet, also eine Art Wahrscheinlichkeitsfunktion. „Dieser Ansatz vergleicht die Ergebnisse realistischer, physikalisch fundierter Simulationen mit tatsächlichen Beobachtungsdaten“, erklärt Nadine Bourriche, Doktorandin am MPP. So lassen sich Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Ursprungsregionen berechnen.
Das Ergebnis sind Wahrscheinlichkeitskarten, die mögliche Entstehungsorte abbilden. Auch bei der Suche nach den Quellen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung könnte künftig so verfahren werden.
– Dr. Francesca Capel, Leiterin der Forschungsgruppe Astrophysical Messengers, Max-Planck-Institut für Physik
Die neuen Ansätze verbinden Theorie und Beobachtung stärker miteinander – und kommen dem Ursprung kosmischer Extremteilchen ein ganzes Stück näher.
Quellenhinweis:
Bourriche, N., & Capel, F. (2026): Beyond the Local Void: A Data-driven Search for the Origins of the Amaterasu Particle. The Astrophysical Journal, 997, 2, 264.