2000_3   Hochenergetische kosmische Strahlung

A) Kosmische Strahlung besteht ursprünglich aus sehr schnellen Atomkernen. Diese treffen auf Atomkerne der irdischen Lufthülle, dabei wird die Bewegungsenergie in subatomare Teilchen (überwiegend Myonen) umgewandelt, die mit anderen Atomen kollidieren. Seit 1913 ist der Korpuskularcharakter der kosmischen Strahlung (überwiegend Protonen) bekannt. Die Bezeichnung “Strahlung” wurde beibehalten.

B) Der größte Teil der kosmischen Strahlung (derjenige unterhalb von 10¹⁶ eV) entsteht durch Supernovae. Für das Energiespektrum der kosmischen Strahlung wurde bisher noch keine Obergrenze entdeckt. Sie tritt, wenn auch mit abnehmender Häufigkeit, bei den höchsten meßbaren Energien auf. Bisherige Daten enden aufgrund der Meßgeräte bei der 300-milliardenfachen Energie der Protonen-Ruhemasse.

C) Kosmische Partikel mit Energien von 10²⁰ eV treffen die Erde relativ selten (einmal pro Quadratkilometer und Jahr). So wurde im Oktober 1991 ein Partikel mit 300 Exa eV (3*10²⁰ eV gleich 50 Joule) gemessen. Partikeln mit diesen Energien stammen aus Raumbereichen außerhalb unserer Milchstraße (kein Beschleunigungsmechanismus ist bekannt) und sie kommen aus allen Richtungen. Andererseits kann die Quelle dieser Partikel nicht mehr als 30 Millionen Lichtjahre entfernt sein, denn sonst müßten die Partikel durch Wechselwirkung mit dem Mikrowellenhintergrund schon wieder stark abgebremst sein. Bei gleichmäßiger Verteilung der Quellen im All müßte dann bei Energien über 50 Exa eV ein steiler Abfall der Teilchenzahl feststellbar sein.

D) Über die Art der Quellen gibt es drei Hypothesen:

1) Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher = Schwarze Löcher mit einer Milliarde oder mehr Sonnenmassen, die im Zentrum aktiver Galaxien Materie aufsaugen, sind die Ursache für sogenannte relativistische Jets (Materieströme, die fast mit Lichtgeschwindigkeit weit in den intergalaktischen Raum hinausschießen). Die darin befindlichen, besonders strahlungsaktiven heißen Flecken sind die eigentlichen Stoßwellen. Diese beschleunigen subatomare Teilchen auf extrem hohe Energien.

2) Gamma-Ray Bursts = Relativistische Explosionen infolge der Vereinigung von Neutronensternen erzeugen Gammastrahlungsausbrüche. Die bei solchen Katastrophen freigesetzte Energie entspricht einigermaßen derjenigen, die für den Fluß höchstenergetischer kosmischer Strahlung erforderlich ist. Es wirken die extrem schnellen Stoßwellen als Beschleuniger.

3) Topologische Defekte im Raumzeit-Gefüge = Die ultrarasanten Teilchen entstehen bei dem Zerfall von magnetischen Monopolen, Strings, Grenzflächen (domain walls) oder anderen topologischen Defekten. Diese hypothetischen Objekte sollen Überbleibsel einer symmetrischen Anfangsphase des Alls sein, in der es nur eine Urkraft gab. In ihnen sind gleichsam infinitesimale Reste des Universums im Urzustand konserviert. Wenn derartige Reliktnischen in der Raumzeit kollabieren und die Symmetrie der Kräfte in ihnen verloren geht, wird die darin gespeicherte Energie in Form extrem massereicher Partikel frei, die sofort zerfallen und Teilchenjets bilden. Die Energien dieser Jets sollen bis zu 100 000 mal größer sein, als die der bekannten kosmischen Strahlung. Die gemessene Strahlung ist also das vergleichsweise kümmerliche Endprodukt von urgewaltigen kosmologischen Teilchenkaskaden.