Frage: Wie viel ist vom Weltall schon erkundet, sodass du sagen kannst das die Teilchenbeschleunigung an diesem Ort am schnellsten ist ?

Maria Haupt Beantwortet am 15 Nov 2021:

Hallo Lina

Bevor ich zu deiner Frage komme, eine kurze Erklärung vorab: wir müssen hier mit den Begriffen vorsichtig sein. Eine „schnelle Teilchenbeschleunigung“ gibt es nicht wirklich. Die Teilchen können zu hohen Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wir sagen dann, sie haben hohe Energien. Das heißt, wir sprechen von hochenergetischen Teilchen. Natürlich können Teilchen auch schnell beschleunigt werden, das heißt, sie werden in sehr kurzer Zeit zu so hohen Energien beschleunigt. Dann sprechen wir von kurzen Zeitskalen. Und es können verschieden viele Teilchen beschleunigt werden, die widerum verschieden viele Photonen erzeugen, das ist dann die Effizienz der Teichenbeschleunigung. Ich glaube, du meinst hier vor allem die Effizienz und evtl. auch die maximale Energie, die diese Teilchen haben können.

Im Teilchenbereich ist das Weltall weit weniger gut erkundet als mittels der klassischen Astrophysik. Das liegt daran, dass man zum Einen erst seit etwa 100 Jahren weiß, dass Teilchen aus dem weltall zu uns kommen und zum Anderen auch die Messmethoden viel komplizierter sind als beim sichtbaren Licht. Wie genau wir nach Teilchenbeschleunigern suchen, habe ich hier bereits recht ausführlich erklärt:

Wie verhält sich ein Teilchenbeschleuniger?

Wir suchen also nach den Photonen, die entstehen, wenn die beschleunigten Teilchen in der Nähe der Quelle mit Magnetfeldern oder anderen Photonen wechselwirken.
Den ersten „Teilchenbeschleuniger“ im Weltall haben wir erst 1989 gefunden, das ist der „Crab Nebula“, also der Krebsnebel. Das ist das hellste Objekt in Gammastrahlen am Himmel, aber nicht der effektivste. Das liegt daran, dass er einfach relativ nah an der Erde ist. Die Menge der Photonen, die uns erreicht, nimmt mit der Entfernung zur Quelle ab. Also je weiter ein Objekt entfernt ist, desto weniger Photonen kommen bei uns an. Wenn aber 2 Objekte gleich weit entfernt sind, dann sehen wir von dem Objekt mehr Teilchen, wo mehr Photonen durch die beschleunigten Teilchen erzeugt werden.
Unsere Teleskope sind schon deutlich besser geworden, sodass wir heute schon eine ganze Menge Objekte gefunden haben, die Teilchen beschleunigen. Aber trotzdem sind unsere Messungen begrenzt. Es braucht eine Mindestanzahl an Teilchen, die die Teleskope messen müssen, damit wir sagen können, „wir haben eine neue Quelle entdeckt, in der Teilchen beschleunigt werden“. Das begrenzt die Entfernung, wie „weit“ wir gucken können. Wenn also ein Objekt sehr weit weg ist muss es umso mehr Teilchen beschleunigen und mehr Photonen erzeugen, dass wir es messen können. Es gilt also ab einer bestimmten Entfernung grob die Regel, je weiter etwas entfernt ist, desto effizienter werden Teilchen beschleunigt. Wenn ein Objekt aber zu weit weg ist, dann würden wir es nicht mehr messen können, auch wenn es genauso effizient Teilchen beschleunigt, wie andere Objekte, die näher dran sind, die wir auch mit unseren Teleskopen sehen können.
Ein anderes Problem ist die Auflösung, das heißt, wie gut wir einzelne Objekte in anderen Galaxien sehen können. Die ist momentan auch noch nicht sehr gut. Die Magellanschen Wolken sind momentan die einzigen Galaxien, in denen wir einzelne Objekte voneinander unterscheiden können. Die Andromeda Galaxie ist schon zu weit weg, sodass wir sie nur als einen Punkt sehen können und die einzelnen Objekte darin nicht mehr einzeln sehen können. Wenn wir dort Photonen mit hohen Energien messen würden, dann könnten wir nicht sagen, wo sie genau herkommen, nur, dass es dort (viele) Objekte gibt, die Teilchen beschleunigen und Photonen erzeugen.
Dazu kommt ein Problem in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. Hier können wir zum Beispiel nicht „auf die andere Seite“ der Galaxie gucken, also durch das Zentrum der Galaxie durch, weil dort so viel Staub ist, dass er das Licht von der „anderen Seite“ des Galaxiezentrums verdeckt. Zudem „überlagern“ sich die Sterne in unseren Beobachtungen, sodass wir nicht sagen können, von welchem der Objekte die Photonen kommen.
So viel vorab zur Technik. Der erkundete Bereich des Weltalls im Bereich der teilchenphysik ist also noch nicht sehr groß. Wir können also noch gar nicht sagen, dass die Objekte, die wir bisher beobachtet haben auch am meisten Teilchen beschleunigen bzw die höchsten Energien erreichen. Wir können nur sagen, welches der bisher beobachteten Objekte die Teilchen zu den höchsten Energien beschleunigt.

Wir unterscheiden die Objekte, die Teilchen beschleunigen können, in galaktische (also innerhalb unserer Galaxie) und extragalaktische (also außerhalb unserer Galaxie) Objekte. Innerhalb der Galaxie werden Teilchen vor allem in Supernova-Überresten, Pulsarwindnebeln, Pulsaren, Sternentstehungsgebieten oder Doppelsternsystemen beschleunigt. Diese gibt es natürlich auch in anderen Galaxien. Allerdings können wir diese mit unseren teleskopen noch nicht beobachten, weil wir sie nicht auflösen können oder sie zu weit weg sind. Die einzigen Galaxien, in denen wir das bisher können, sind die Magellanschen Wolken. Dort können wir aber nur die Objekte sehen, die sehr viele Teilchen beschleunigen, sodass noch genug Teilchen bei uns ankommen, die wir mit unseren Teleskopen messen können. Das heißt, alle Objekte, die wir dort sehen, beschleunigen mindestens so viele Teilchen, wie die effektivsten Objekte auf der Erde. Und unsere Messungen haben ergeben, dass sie sogar noch mehr Teilchen beschleunigen, die Photonen erzeugen, also noch effizienter sind. Das sind aber noch nicht die effizientesten Objekte, die Teilchen mit den höchsten Energien erzeugen.
Das sind dann die extragalktischen Objekte. Das sind Galxienkerne weit entfernter Galaxien. Diese erzeugen so viel Energie, dass sie extrem viele Teilchen zu extrem hohen Energien beschleunigen können. Da diese viel weiter weg sind als die galaktischen Objekte, wissen wir also, dass diese auch die effektivsten Teilchenbeschleuniger sind.

Es wird aber grad die nächste Generation an Teleskopen gebaut, die noch sensitiver sind, die können also noch weiter ins Universum gucken, sodass wir bald noch viel mehr über die „Teilchenbeschleuniger“ des Weltalls lernen können 🙂

Ich hoffe, meine Antwort war jetzt nicht zu lang 🙈