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KOSMISCHE STRAHLUNG
Software soll bei Suche nach Ursprung helfen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bochum
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19. September 2022

Mit einem neuen Computerprogramm lässt sich der Transport kosmischer Strahlung durch das All simulieren. Dies könnte der Forschung dabei helfen, das Rätsel um die Quellen der kosmischen Strahlung zu lösen, die aus dem All auf die Erde prasselt. Bislang ist nämlich unbekannt, welche Himmelsobjekte genau diese hochenergetische Strahlung aussenden.

Kosmische Strahlung

Die bunten Linien zeigen, wie kosmische Strahlung in Magnetfeldern abgelenkt wird. Die weißen Linien repräsentieren ein großskaliges Magnetfeld. Zusätzlich wirken hier nicht dargestellte kleinskalige Magnetfelder auf die Bahnen der Teilchen (bunte Linien). Bild: RUB, Dr. Lukas Merten [Großansicht]

Seit ihrer Entdeckung von 100 Jahren versuchen Forschende zu entschlüsseln, woher die kosmische Strahlung kommt. Das Problem: Von der Erde aus betrachtet sieht sie so aus wie der Himmel bei Tag mit bloßem Auge: Er ist fast überall, wo man hinschaut, gleich hell erleuchtet. Denn das Licht der Sonne wird in der Erdatmosphäre gestreut und verteilt sich gleichmäßig über den gesamten Himmel. Auch die kosmische Strahlung wird auf ihrem Weg zur Erde gestreut – durch Wechselwirkungen mit kosmischen Magnetfeldern. Von der Erde aus ist nur ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu sehen; der Ursprung der Strahlung bleibt verborgen.

"Mit unserem Programm CRPropa ist es möglich, die Bahnen der Teilchen von ihrer Entstehung bis zu ihrer Ankunft auf der Erde nachzuverfolgen – und zwar für alle Energien, die wir von der Erde aus beobachten können", sagt Julien Dörner, Doktorand an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). "Auch die Wechselwirkung der Teilchen mit Materie und Photonfeldern im Universum können wir vollständig berücksichtigen." Dabei kann das Programm nicht nur kosmische Strahlung simulieren, sondern auch Neutrinoteilchen oder Gammastrahlung, die in Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung entstehen. "Diese Botenteilchen sind – anders als die kosmische Strahlung – direkt von ihren Quellen beobachtbar, sie kommen also auf direktem Weg zur Erde", erklärt Dr. Patrick Reichherzer, Postdoktorand an der RUB. "Mit der Software können wir solche Strahlung von Neutrinos und Gammastrahlung auch aus fremden Galaxien wie Starbursts oder aktiven Galaxien vorhersagen."

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Das jetzt vorgestellte Simulationsprogramm ist die umfassendste derzeit existierende Simulationssoftware und ermöglicht neue Forschungswege. "Wir können neue Energiebereiche in der Simulation erschließen, die mit bisherigen Programmen nicht vollständig erfasst werden konnten", sagt Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert von der Bergischen Universität Wuppertal. "Insbesondere der Übergang von der kosmischen Strahlung aus unserer eigenen Galaxie zu einem Anteil, der aus fremden Galaxien kommt, kann theoretisch beschrieben und mit Beobachtungen verglichen werden."

Das Simulationsprogramm ist in einer internationalen Zusammenarbeit von 17 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entstanden, die in Deutschland, Spanien, den Niederlanden, Italien, Kroatien, England und Österreich forschen. Die RUB ist mit acht Forschenden federführend am Projekt beteiligt. Die Arbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1491 "Das Wechselspiel der kosmischen Materie" entstanden, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

"Die Veröffentlichung ist ein großer Schritt, um den Transport und die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung quantitativ in drei Dimensionen zu beschreiben", betont SFB-Sprecherin Prof. Dr. Julia Tjus von der RUB. "CRPropa wird signifikant dazu beitragen zu verstehen, woher die kosmische Strahlung kommt. Denn wir benötigen theoretische Berechnungen, die uns helfen, die Vielfalt an Daten, die wir aus dem Kosmos haben, zu interpretieren."

Das Team beschreibt die Software in der Zeitschrift Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

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Links im WWW
Batista, R. A. et al. (2022): CRPropa 3.2 – an advanced framework for high-energy particle propagation in extragalactic and galactic spaces, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2022, 35
Ruhr-Universität Bochum
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