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Astroteilchen sind Boten aus dem All, mit deren Hilfe Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Universum erforschen. Francesca Capel und Nadine Bourriche vom Max-Planck-Institut für Physik (MPP) haben eines der energiereichsten kosmischen Teilchen untersucht, die jemals beobachtet wurden: das Amaterasu-Teilchen, benannt nach der japanischen Sonnengöttin. Ihre Arbeit stellt einen wichtigen Schritt zur Lösung des Rätsels um dessen Ursprung im Universum dar. Zudem bietet sie einen neuen analytischen Ansatz, mögliche Quellen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung zu identifizieren.
Kosmische Strahlung besteht aus extrem schnellen, geladenen Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen. Das Amaterasu-Teilchen wurde im Jahr 2021 vom Telescope-Array-Experiment in den USA entdeckt. Es trägt die zweithöchste bisher jemals beobachtete Energieladung – etwa 40 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.
Das Astroteilchen „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 einem Rätsel.
Jenseits einer „leeren“ Region des Weltraums
In ihrer Studie zeigen Francesca Capel und Nadine 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 Nadine 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.
Neue analytische Grundlagen für datengestützte Suchen
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 Francesca 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.
Über die Autorinnen:
Francesca Capel wuchs in Cardiff, Großbritannien, auf und studierte Physik am Imperial College London. Ihre akademische Laufbahn führte sie für ihre Masterarbeit an die École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz, anschließend zur Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in den Niederlanden. Ihre Promotion absolvierte sie am KTH Royal Institute of Technology in Schweden und nahm eine Postdoc-Stelle an der Technischen Universität München an. Heute leitet sie am Max-Planck-Institut für Physik eine Forschungsgruppe an der Schnittstelle von Data Science und Astroteilchenphysik.
Nadine Bourriche wuchs in Bologna, Italien, in einer Familie algerischer Herkunft auf. Sie studierte Physik an der Université Grenoble Alpes in Frankreich und absolvierte anschließend einen Masterstudiengang in Astroteilchenphysik an der Universität Innsbruck in Österreich. Derzeit ist sie Doktorandin in Francesca Capels Gruppe am Max-Planck-Institut für Physik. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Identifikation der Quellen extremster kosmischer Strahlung mithilfe neuartiger statistischer Methoden und maschinellen Lernens.
Dr. Francesca Capel
francesca.capel@mpp.mpg.de
Nadine Bourriche
nadine.bourriche@mpp.mpg.de
Beyond the Local Void: A Data-driven Search for the Origins of the Amaterasu Particle
Nadine Bourriche, Francesca Capel
Astrophys.J. 997 (2026) 2, 264
DOI: 10.3847/1538-4357/ae2c89
https://www.mpp.mpg.de/aktuelles/meldungen/auf-spurensuche-im-weltraum-woher-sta...
Haufengalaxie Messier 82 (M 82), 12 Millionen Lichtjahre entfernt
Copyright: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Bolatto (UMD)
Die beiden Autorinnen Dr. Francesca Capel (links) und Nadine Bourriche
Source: Jarred Green
Copyright: MPP
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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