Elektronen und Positronen reisen mit enormen Energien durch die Milchstraße. Diese Erkenntnis ist nicht neu, jedoch wurden ihre Energien bisher mit maximal 5.000 Milliarden Elektronenvolt (5 TeV) gemessen.

Mit modernsten Analysemethoden und unter Verwendung von Daten des H.E.S.S.-Teleskops aus insgesamt 12 Jahren konnten indes weit präzisere Messergebnisse als bisher üblich erzielt werden. So wurde mit bis zu 40.000 Milliarden Elektronenvolt (40 TeV) ein neuer Rekordwert gemessen.

Das H.E.S.S.-Teleskop (High Energy Stereoscopic System) ist eine aus fünf Teleskopen bestehende Anlage, deren einzelne Spiegeldurchmesser von 12 bis 28 Metern reichen. So können die Teleskope vorwiegend kosmische Gammastrahlen, aber auch andere hochenergetische Teilchen besonders gut einfangen.

Das Array befindet sich in der Nähe des Gamsbergs im afrikanischen Namibia, einem Standort mit besonders klarem Himmel und idealen Bedingungen für astronomische Beobachtungen. Die Anlage ist eines der führenden Observatorien für die sogenannte Tscherenkow-Astronomie.

Das H.E.S.S.-Array zielt auf die elektromagnetischen Strahlen mit der höchsten Energie im Universum. Sie entstehen bei extremen astrophysikalischen Prozessen, etwa bei Supernovae, Pulsaren, Schwarzen Löchern oder beim Zerfall Dunkler Materie.

Da Gammastrahlen die Atmosphäre nicht direkt durchdringen können, misst H.E.S.S. indirekt die Auswirkungen der Strahlen. Wenn hochenergetische Gammastrahlen die Erdatmosphäre treffen, lösen sie eine Kaskade von Teilchen aus – die sogenannte Tscherenkow-Strahlung. Diese Strahlung ist als kurzes blaues Leuchten sichtbar, das H.E.S.S. mit seinen empfindlichen Kameras einfängt.

Diese Methode erlaubt es unter anderem, die seltenen Elektronen von den viel häufigeren Protonen und anderen Teilchen zu unterscheiden. Dank seiner fortschrittlichen Techniken konnte das H.E.S.S.-Array ein Verhältnis von 10.000:1 erreichen – was bedeutet, dass es Elektronen sehr zuverlässig identifizieren konnte.

Die Untersuchung der Tscherenkow-Strahlung liefert wichtige Hinweise darauf, wie extreme Prozesse im Universum ablaufen, etwa bei explodierenden Sternen (Supernovae) oder in den Magnetfeldern von Pulsaren.

Die Forscher:innen konzentrierten sich auf Elektronen, obwohl sie viel seltener als andere Teilchen in der kosmischen Strahlung sind, weil sie auf ihrem Weg mehr auswertbare Informationen preisgeben. Denn Elektronen verlieren auf ihrem Weg durch die Galaxie Energie, etwa durch Wechselwirkungen mit Magnetfeldern oder Strahlung.

Dadurch können sie nicht so weit reisen wie Protonen. Elektronen, die wir auf der Erde messen können, stammen daher oft aus unserer unmittelbaren galaktischen Nachbarschaft. Das gibt den Forscher:innen die Möglichkeit, Quellen in der Nähe zu identifizieren und besser zu verstehen, was diese Teilchen beschleunigt.

Eine galaktische Nähe legte etwa der in der Studie dokumentierte Bruch im Energieverlauf bei etwa 1 TeV (1.000 Milliarden Elektronenvolt) nahe. Unterhalb dieser Energie nahmen die Elektronen mit einem bestimmten Tempo ab, doch oberhalb dieser Schwelle fiel ihre Zahl plötzlich deutlich schneller.

Schon frühere Forschungen hatten diesen Bruch entdeckt, aber die neuen H.E.S.S.-Daten liefern eine viel präzisere Messung, die hilft, einige Theorien infrage zu stellen. Bisher ging die Forschung davon aus, dass dieser Bruch durch den Energieverlust der Elektronen auf ihrer Reise verursacht wird. Die neuen Daten legen jedoch nahe, dass er wahrscheinlich durch eine begrenzte Anzahl von Quellen in der Nähe ausgelöst wird – Quellen wie Supernovae oder Pulsare.

Eine andere mögliche Erklärung wäre die Dunkle Materie gewesen, also jene theoretische Substanz, von der die Forschung annimmt, dass sie etwa 85 Prozent der Masse des Universums ausmachen soll. Einige Theorien besagen, dass Dunkle Materie bei ihrer Zerstörung Elektronen freisetzen könnte.

Doch das strukturlose Spektrum, das H.E.S.S. gemessen hat, passt nicht zu dieser Hypothese. Dafür wäre eine Häufung der Teilchen bei einer Energie von 1,4 TeV zu erwarten gewesen. Damit wurde Dunkle Materie als Erklärung weniger wahrscheinlich.

Obwohl die neue Studie wichtige neue Erkenntnisse über die Elektronen selbst geliefert hat, macht sie einmal mehr deutlich, wie wenig wir über die Prozesse wissen, die die Teilchen auf solche enormen Energien beschleunigen. In Zukunft könnte eine erneute, aber KI-unterstützte Auswertung der Messdaten dabei helfen, noch mehr über diese hochenergetischen Teilchen zu erfahren und den Energiebereich der Messungen weiter auszudehnen, so die Forscher:innen in ihrer Studie. Auf diese Weise wollen sie auch ihre These überprüfen, dass die gemessenen Elektronen möglicherweise von einer einzelnen Quelle in relativer Erdnähe stammen könnten.

Die neue Studie zu den H.E.S.S.-Daten zeigt, wie kosmische Elektronen durch extreme Prozesse in unserer Galaxie beschleunigt werden, stellt viele bisherige Annahmen infrage und rückt die Rolle eher lokaler Quellen wie Supernovae und Pulsare in den Fokus.

Die Ergebnisse gelten als Meilenstein in der Erforschung kosmischer Strahlung. Im Detail lässt sich die Studie im Wissenschaftsmagazin Physical Review Letters nachlesen.