Ausgebremste Höhenstrahlung

Extrem hochenergetische Protonen werden durch die kosmische Hintergrundstrahlung zur Pionenerzeugung angeregt und dadurch verlangsamt.

Die Teilchen in der Höhenstrahlung, die aus den Tiefen des Kosmos zu uns kommt, können unvorstellbar hohe Energien haben. So hat man schon Teilchenenergien von 10²⁰ eV gemessen, die die mit Teilchenbeschleunigern erreichbaren Energien millionenfach übertreffen. Die Zahl der zur uns gelangenden Teilchen nimmt sehr schnell mit ihrer Energie ab, und zwar im Bereich von 10¹⁰ eV bis 10¹⁹ eV um 27 Größenordnungen. Oberhalb von 10¹⁹ eV sollte der Teilchenfluss nach Berechnungen von Kenneth Greisen sowie Vadim Kuzmin und Georgiy Zatsepin aus dem Jahre 1966 abrupt versiegen. Dieser GZK-Cutoff ist jetzt beobachtet worden.

Protonen können von supermassiven Schwarzen Löchern in den Zentren aktiver Galaxien auf extrem hohe Energien von 10¹⁸ eV bis 10²⁰ eV beschleunigt werden. Trifft solch ein Proton mit einer Energie von 10²⁰ eV (der Energie eines 10 g schweren und 100 Stundenkilometer schnellen Hagelkorns!) ein Photon der kosmischen Hintergrundstrahlung, so reicht seine Energie zur Erzeugung von einem oder mehren Pionen aus. Auf ihrem Weg von einer aktiven Galaxie zu uns legen die Protonen große Entfernungen zurück. Dabei kollidieren sie wiederholt mit den Photonen der Hintergrundstrahlung und werden so lange abgebremst, bis ihre Energie nur noch etwa 10¹⁹ eV beträgt und nicht mehr zur Pionenerzeugung ausreicht. Berechnungen zeigen, dass Protonen mit Energien von 10²⁰ eV nicht weiter als 600 Mio. Lichtjahre kommen, ohne den größten Teil ihrer Energie zu verlieren. Auf der Erde sollten sie deshalb in drastisch reduzierter Zahl ankommen, wodurch sich der GZK-Cutoff erklärt

Um den GZK-Cutoff in der Höhenstrahlung zu beobachten, muss man zeigen, dass ein von Natur aus seltenes Ereignis wie das Eintreffen eines extrem hochenergetischen Protons noch seltener vorkommt als erwartet. Dazu benötigt man Detektoren, die jahrelang die auf einer Fläche von mehreren Tausend Quadratkilometern eintreffende Höhenstrahlung registriert und nach extrem energiereichen Teilchen durchsucht. Das in der Argentinischen Pampa Amarilla gelegene Pierre Auger Cosmic Ray Observatory deckt mit seinen 1600 Detektoren und 24 Teleskopen eine Fläche von 3000 km² ab. Zwischen dem 01.01.2004 und dem 31.8.2007 haben die Detektoren und Teleskope gut 20.000 Teilchen registriert, deren Energie großer als 2,5×10¹⁸ eV war. Damit war es möglich, den GZK-Cutoff nachzuweisen.

Die Auger-Forscher verteilten die beobachteten Ereignisse, nach ihrer Energie geordnet, auf GeV-Intervalle und trugen die Zahl der Ereignisse in jedem Intervall doppeltlogarithmisch über die Energie auf. Es ergab sich eine abfallende gerade Linie, die allerdings bei 4×10¹⁹ eV einen deutlichen Knick hatte und für noch größere Energien erheblich steiler abfiel. Die Steigungen der Linien links und rechts vom Knick betrugen 2,7 bzw. 4,2. Diese Resultate stimmen hervorragend mit den Ergebnissen überein, die vor kurzem mit dem High Resolution Fly’s Eye (HiRes) in Utah gewonnen wurden, allerdings für eine geringere Zahl von Ereignissen. Der GZK-Cutoff liegt also da, wo man ihn erwartet hatte. Die kosmische Hintergrundstrahlung hat demnach auch heute noch einen merklichen Einfluss darauf, wie viele extrem energiereiche Teilchen in der Höhenstrahlung zu uns gelangen.

Rainer Scharf