Ein internationales Team von Physikern hat eine vielversprechende neue Erklärung dafür geliefert, wie einige der energiereichsten Teilchen unserer Galaxie entstehen. Im Kern geht es um sogenannte PeVatrone. Das sind kosmische Objekte, die Atomkerne auf Peta-Elektronenvolt (PeV) beschleunigen können – eine Energie, die millionenfach höher ist als die, die der Teilchenbeschleuniger „Large Hadron Collider“ am CERN in Genf erreicht.

Robert Brose von der Universität Potsdam, Iurii Sushch vom spanischen Forschungszentrum CIEMAT in Madrid und Jonathan Mackey vom irischen Dublin Institute for Advanced Studies (DIAS) veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich als Preprint auf Arxiv. Die Studie wurde zudem zur Publikation im renommierten Fachjournal Astronomy & Astrophysics angenommen.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler:innen nach natürlichen Super-Beschleunigern in unserer Milchstraße. Supernova-Überreste, die explosiven Endstadien massereicher Sterne, galten lange als Hauptkandidaten, doch der direkte Nachweis, dass sie PeV-Energien erreichen, war bisher schwierig.

Die neue Forschungsarbeit legt nahe, dass der Schlüssel in einer ganz bestimmten Phase junger Supernovae liegt. Stellen wir uns vor, ein massereicher Stern – beispielsweise ein sogenannter Leuchtkräftiger Blauer Veränderlicher (LBV), der dafür bekannt ist, am Ende seines Lebenszyklus phasenweise massive Gaswolken ins All zu schleudern – stößt kurz vor seiner Explosion gewaltige Mengen an Materie ab. Diese Materie bildet eine dichte Hülle um den Stern.

Entscheidend für das Verständnis ist nun Folgendes: Diese Hülle bleibt nicht direkt am Stern, sondern expandiert nach ihrem Ausstoß ins All. Je nachdem, wie lange vor der eigentlichen Explosion dieser massive Materieauswurf stattfand, kann sich die Hülle also bereits viele hundert oder gar tausendmal weiter vom Stern entfernt haben, als dessen ursprünglicher Radius betrug, bis die Supernova schließlich tatsächlich detoniert.

Explodiert der Stern dann in einer Supernova, rast seine Schockwelle nach außen. Trifft diese Schockwelle nun sehr früh – idealerweise innerhalb der ersten etwa 140 Tage nach der Explosion – auf diese dichte Materiehülle, können extreme Bedingungen entstehen. Die Simulationen des Teams zeigen, dass in diesem Szenario die Magnetfelder dramatisch verstärkt werden.

Genau diese verstärkten Magnetfelder ermöglichen es dann, Teilchen auf die benötigten PeV-Energien zu katapultieren. „Es ist möglich, dass nur sehr junge Supernova-Überreste, die sich in dichten Umgebungen entwickeln, die notwendigen Bedingungen erfüllen, um Teilchen auf PeV-Energien zu beschleunigen“, so die Schlussfolgerung der Wissenschaftler:innen, die auch von ScienceAlert in einem Bericht über die frühe Phase der Forschung zitiert wurde.

Die Entdeckung solcher PeVatrone würde helfen, das sogenannte „Knie“ im Energiespektrum der kosmischen Strahlung zu erklären. Dieses Knie bei einigen PeV markiert eine Art Obergrenze für Teilchenbeschleuniger innerhalb unserer Galaxie. Die Arbeit von Brose und seinen Kollegen liefert nun einen konkreten, physikalisch fundierten Mechanismus, wie zumindest eine bestimmte Klasse von Supernovae diese Energien erreichen kann.

Diese Erkenntnisse sind nicht nur für Astrophysiker:innen spannend. Sie demonstrieren eindrücklich, wie komplexe Simulationen auf Hochleistungsrechnern helfen, die extremsten Vorgänge im Universum zu verstehen. Die Ergebnisse werden auch die Beobachtungsstrategien zukünftiger Teleskope beeinflussen. Observatorien wie das geplante Cherenkov Telescope Array (CTA) könnten gezielt nach den Signaturen solcher junger, mit ihrer Umgebung wechselwirkender Supernovae suchen.

Obwohl dieses Szenario wahrscheinlich nur auf eine kleine Untergruppe von Supernovae zutrifft, ist es ein wichtiger Schritt vorwärts. Es zeigt, dass die Natur Wege findet, Teilchen auf Energien zu beschleunigen, von denen wir auf der Erde bisher nur träumen können.

Die Jagd nach den PeVatronen geht also in eine neue, spannende Runde. Die Natur liefert den Bauplan, die Theorie zeigt den Weg – jetzt liegt es an der Beobachtung, den kosmischen Teilchen-Turbo endgültig zu entlarven.