MPP-Forscherinnen auf Spurensuche im Weltraum

Das Amaterasu-Teilchen wurde im Jahr 2021 vom Telescope-Array-Experiment in den USA entdeckt. Es trägt die zweithöchste bisher jemals beobachtete Energieladung nach dem „OMG Partikel“ – 2,4 · 10²⁰ eV, etwa vierzig Millionen Mal mehr Energie als Teilchen im Beschleuniger Large Hadron Collider am CERN. Solche Partikel sind äußerst selten und entstehen vermutlich in einigen der extremsten Umgebungen des Universums.

Amaterasu schien bisher aus einer kosmischen Region zu uns zu gelangen, die „Local Void“ heißt – ein Raum mit nur wenigen bekannten Galaxien oder energiereichen Objekten, die in der Lage wären, ein solches Teilchen zu erzeugen. Diese Annahmen stellten die Forschenden vor ein Rätsel.

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Der Nachweis der Vernichtung

In ihrer Studie zeigen Capel und Bourriche, dass der Ursprung des Teilchens nicht auf eine scheinbar leere Region des Universums beschränkt sein muss. Stattdessen könnte er in einem breiteren Spektrum nahegelegener kosmischer Umgebungen liegen. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Amaterasu-Teilchen eher in einer sternbildenden Galaxie wie M82 entstanden ist, anstatt in einer Region geringer Materiedichte wie dem Local Void“, sagt Bourriche.

Diese Schlussfolgerungen beruhen auf einer neuartigen, datengestützten Methode, mit der die Forscherinnen den möglichen Weg des Teilchens durch den Weltraum nachverfolgen. Mithilfe detaillierter dreidimensionaler Simulationen der Ausbreitung kosmischer Strahlung und ihrer Wechselwirkung mit Magnetfeldern wendet die Studie eine statistische Technik an, die als „Approximate Bayesian Computation“ bekannt ist. „Dieser Ansatz vergleicht die Ergebnisse realistischer, physikalisch fundierter Simulationen mit tatsächlichen Beobachtungsdaten“, erklärt Bourriche.

Durch die Kombination fortschrittlicher Simulationen mit modernen statistischen Methoden konnten die Forscherinnen Wahrscheinlichkeitskarten erstellen, die zeigen, wo das Teilchen entstanden sein könnte. Der in dieser Studie entwickelte methodische Rahmen setzt wichtige Meilensteine für zukünftige Forschungsarbeiten. Er bietet ein leistungsfähiges Werkzeug, um Beobachtungen gezielt zu steuern und die Suche nach denjenigen kosmischen Quellen zu verfeinern, die Teilchen auf derart extreme Energien beschleunigen können.

„Die Untersuchung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung hilft uns, besser zu verstehen, wie das Universum in der Lage ist, Materie auf solche Energien zu beschleunigen“, sagt Capel, Leiterin der Forschungsgruppe Astrophysical Messengers am MPP. „Gleichzeitig erlaubt sie uns, Umgebungen zu identifizieren, in denen wir das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen untersuchen können. Unser Ziel ist es, fortschrittliche statistische Analysemethoden zu entwickeln, um die verfügbaren Daten bestmöglich auszuschöpfen. So wollen wir ein tieferes Verständnis der möglichen Quellen dieser energiereichen Teilchen gewinnen.“ Die neuen Ansätze ergänzen bestehende Forschungsbemühungen, indem sie eine engere Verbindung zwischen Theorie und Daten ermöglichen und Informationen aus unterschiedlichen Beobachtungen zusammenführen. [MPP / dre]