Das CALorimetric Electron Telescope (CALET) an Bord der Kibo’s Exposed Facility (EF) der Internationalen Raumstation ist seit 2015 auf der Mission, den Fluss kosmischer Strahlungsteilchen zu messen. In einer neuen Studie berichtet ein internationales Forscherteam darüber Ergebnisse einer direkten Messung des Heliumspektrums der kosmischen Strahlung unter Verwendung der von CALET gesammelten Daten. Im Gegensatz zu dem bisher angenommenen einfachen Potenzgesetz zeigt die Analyse der zwischen 2015 und 2022 gesammelten Flussdaten, dass die Energieverteilung von Heliumkernen mit kosmischer Strahlung einem doppelt gebrochenen Potenzgesetz folgt.
Ein Großteil unseres Verständnisses des Universums und seiner mysteriösen Phänomene basiert auf theoretischen Interpretationen. Um das Verständnis entfernter Objekte und energetischer Phänomene zu vertiefen, untersuchen Astronomen die kosmische Strahlung, bei der es sich um hochenergetische geladene Teilchen handelt, die aus Protonen, Elektronen, Atomkernen und anderen subatomaren Teilchen bestehen. Solche Studien haben gezeigt, dass die kosmische Strahlung alle uns bekannten Elemente des Periodensystems enthält, was darauf hindeutet, dass diese Elemente von Sternen und hochenergetischen Ereignissen wie Supernovae stammen. Darüber hinaus wird der Weg der kosmischen Strahlung durch den Weltraum aufgrund ihrer geladenen Natur durch die Magnetfelder interstellarer Phänomene und Objekte beeinflusst.
Detaillierte Beobachtungen der kosmischen Strahlung können daher nicht nur Aufschluss über die Herkunft dieser Teilchen geben, sondern auch die Existenz hochenergetischer Objekte und Phänomene wie Supernova-Überreste, Pulsare und sogar Dunkle Materie entschlüsseln. Um hochenergetische Strahlung besser beobachten zu können, gründeten Japan, Italien und die USA 2015 gemeinsam das CALorimetric Electron Telescope (CALET) auf der Internationalen Raumstation.
Im Jahr 2018 ergaben Beobachtungen des Protonenspektrums der kosmischen Strahlung von 50 GeV bis 10 TeV, dass der Teilchenfluss von Protonen bei hohen Energien deutlich höher war als erwartet. Diese Ergebnisse unterschieden sich von den herkömmlichen Beschleunigungs- und Ausbreitungsmodellen der kosmischen Strahlung, die von einer „Einzelpotenzverteilung“ ausgehen, bei der die Anzahl der Teilchen mit zunehmender Energie abnimmt.
Infolgedessen stellte das CALET-Team, dem Forscher der Waseda-Universität angehörten, in einer 2022 veröffentlichten Studie fest, dass Protonen der kosmischen Strahlung im Energiebereich von 50 GeV bis 60 TeV einem „Double Broken Power Law“ folgen. Dieses Gesetz geht davon aus, dass die Anzahl hochenergetischer Teilchen zunächst bis 10 TeV zunimmt (spektrale Verhärtung) und dann mit zunehmender Energie abnimmt (spektrale Erweichung).
Durch die Erweiterung dieser Beobachtungen hat das Team nun ähnliche Trends der spektralen Verhärtung und Erweichung im Heliumspektrum der kosmischen Strahlung gefunden, das über einen breiten Energiebereich von 40 GeV bis 250 TeV erfasst wurde.
Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Untersuchung am 27. April 2023 wurde von außerordentlichem Professor Kazuyoshi Kobayashi von der Waseda-Universität, Japan, geleitet, zusammen mit Beiträgen von Professor Emeritus Shoji Torii, Hauptforscher des CALET-Projekts, das ebenfalls mit der Waseda-Universität verbunden ist, und Forschungsassistent Paolo Brogi von der Universität Siena in Italien.
„CALET hat erfolgreich die Energiespektralstruktur von Helium mit kosmischer Strahlung beobachtet, insbesondere die spektrale Verhärtung ab etwa 1,3 TeV und die Tendenz zur Erweichung ab etwa 30 TeV“, sagt Kobayashi.
Diese Beobachtungen basieren auf Daten, die CALET zwischen 2015 und 2022 an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) gesammelt hat. Diese Beobachtungen stellen den bisher größten Energiebereich für kosmische Heliumkernteilchen dar und liefern zusätzliche Beweise für die Abweichung des Teilchenflusses von der Einzelleistung -Law-Modell. Die Forscher stellten fest, dass die Abweichung von der erwarteten Potenzgesetzverteilung mehr als acht Standardabweichungen vom Mittelwert entfernt war, was darauf hinweist, dass die Wahrscheinlichkeit, dass diese Abweichung zufällig auftritt, sehr gering ist.
Insbesondere die in diesen Daten beobachtete anfängliche spektrale Verhärtung deutet darauf hin, dass es möglicherweise einzigartige Quellen oder Mechanismen gibt, die für die Beschleunigung und Ausbreitung der Heliumkerne auf hohe Energien verantwortlich sind. Die Entdeckung dieser spektralen Merkmale wird auch durch aktuelle Beobachtungen des Dark Matter Particle Explorer gestützt und stellt unser aktuelles Verständnis des Ursprungs und der Natur der kosmischen Strahlung in Frage.
„Diese Ergebnisse würden wesentlich zum Verständnis der Beschleunigung der kosmischen Strahlung im Supernova-Überrest und des Ausbreitungsmechanismus beitragen“, sagt Torii.
Diese Erkenntnisse verbessern zweifellos unser Verständnis des Universums. Auch während wir uns auf bemannte Missionen zum Mond und Mars vorbereiten, kann die Energieverteilung der Teilchen der kosmischen Strahlung weitere Einblicke in die Strahlungsumgebung im Weltraum und ihre Auswirkungen auf Astronauten liefern.