Galactic Microquasar and Supernova Remnants Imprinting on Diffuse Neutrino and Gamma-Ray Sky

Tief im Herzen unserer Milchstraße fällt ein ständiger, unsichtbarer Regen von Teilchen von den Sternen herab. Dies sind kosmische Strahlen, hochenergetische Protonen und Atomkerne, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch die Galaxie bewegen. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass diese Teilchen bei gewaltigen kosmischen Ereignissen entstehen, wie etwa den Explosionen massiver Sterne, aber die genaue Mischung der Quellen und wie sie zu uns reisen, blieb ein Rätsel. Wenn diese kosmischen Strahlen mit dem dünnen Gas kollidieren, das den Raum zwischen den Sternen füllt, erzeugen sie eine sekundäre Schauer von Teilchen, einschließlich geisterhafter Neutrinos und hochenergetischer Gammastrahlen. Das Detektieren dieser sekundären Signale ist wie das Beobachten des Spritzers eines Steins, der in einen dunklen Teich geworfen wurde; es verrät uns, dass der Stein da war, selbst wenn wir den Werfer nicht sehen können. Das Verständnis des Ursprungs dieses diffusen Leuchtens ist entscheidend, da es das Hintergrundrauschen bildet, gegen das Astronomen nach spezifischen, leistungsstarken Quellen suchen müssen. Wenn wir diesen Hintergrund nicht präzise kartieren können, können wir die leisen Flüstern neuer kosmischer Beschleuniger nicht vom Brüllen der Galaxis selbst unterscheiden.

Ein Forscherteam hat nun eine neue, detaillierte Karte dieses kosmischen Hintergrunds erstellt, die offenbart, dass die Geschichte des hochenergetischen Himmels der Galaxis von zwei unterschiedlichen Gruppen kosmischer Motoren erzählt wird, die Hand in Hand arbeiten. In einer im August 2026 veröffentlichten Studie entwickelten Shiqi Yu und Bing Theodore Zhang ein Computermodell, das verfolgt, wie kosmische Strahlen von zwei verschiedenen Arten von Quellen – Supernova-Überresten und Mikroquasaren – sich in der Galaxis ausbreiten und mit interstellarem Gas interagieren. Supernova-Überreste sind die expandierenden Trümmerhüllen, die zurückbleiben, wenn massive Sterne explodieren, während Mikroquasare Systeme sind, in denen ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern Materie von einem Begleitstern absaugt und dabei kraftvolle Teilchenjets ausstößt. Die Forscher fanden heraus, dass diese beiden Populationen nicht über alle Energien hinweg gleichermaßen beitragen. Stattdessen dominieren sie unterschiedliche Teile des Energiespektrums und schaffen einen nahtlosen Übergang, der jüngste Beobachtungen des IceCube Neutrino-Observatoriums und des LHAASO-Gammastrahlenteleskops erklärt.

Der Ansatz des Teams bestand darin, diese beiden Quellpopulationen als unabhängige Akteure zu behandeln, von denen jede ihre eigenen Regeln dafür hat, wie schnell sie Teilchen beschleunigt und wie weit diese Teilchen reisen können. Sie simulierten die Bewegung kosmischer Strahlen über Millionen von Jahren und verankerten ihre Berechnungen an präzisen Messungen kosmischer Strahlen, die in der Nähe der Erde von den DAMPE- und LHAASO-Instrumenten detektiert wurden. Indem sie diese lokalen Messungen in ein dreidimensionales Modell der Gasverteilung der Galaxis einspeisten, konnten sie vorhersagen, wie viele Neutrinos und Gammastrahlen in jede Richtung produziert werden sollten. Die Ergebnisse zeigten eine klare Arbeitsteilung. Bei niedrigeren Energien, unterhalb von etwa 10 Billionen Elektronenvolt, ist das diffuse Leuchten fast ausschließlich das Werk von Supernova-Überresten. Diese uralten Sternexplosionen haben die Galaxis seit Äonen mit kosmischen Strahlen genährt und einen stetigen, weit verbreiteten Hintergrund geschaffen. Wenn jedoch die Energie über diesen Schwellenwert steigt, lässt der Beitrag der Supernova-Überreste nach, und ein neuer Akteur übernimmt die Führung: Mikroquasare.

Dieser Wechsel ist signifikant, da er ein langjähriges Problem darüber löst, wie die Galaxis Teilchen auf die höchsten bekannten Energien beschleunigt. Während Supernova-Überreste exzellent darin sind, Teilchen zu beschleunigen, könnten sie Schwierigkeiten haben, sie über eine gewisse Grenze hinaus zu treiben. Mikroquasare, mit ihren intensiven Magnetfeldern und relativistischen Jets, scheinen in der Lage zu sein, als „PeVatrons“ zu fungieren, die Teilchen auf Energien beschleunigen, die tausendmal höher sind als jene, die vom Large Hadron Collider erzeugt werden. Das Modell legt nahe, dass die Verfestigung des kosmischen Strahlungsspektrums bei hohen Energien kein Mysterium ist, sondern eine natürliche Folge davon, dass Mikroquasare den Job übernehmen. Als die Forscher ihre Vorhersagen mit den tatsächlichen Daten verglichen, die IceCube über zwölf Jahre gesammelt hat, war die Übereinstimmung bemerkenswert eng. Ihr Modell reproduzierte erfolgreich den beobachteten Fluss von Neutrinos und lieferte eine physikalisch motivierte Basislinie, die die Beiträge beider Quelltypen berücksichtigt, ohne neue Physik erfinden zu müssen.

Dieselbe Logik galt für Gammastrahlen, die hochenergetischen Cousins des sichtbaren Lichts. Die Forscher fanden heraus, dass ihr Modell, das die Effekte von Mikroquasaren einschloss, gut mit den Beobachtungen von LHAASO übereinstimmte, insbesondere bei Energien über 100 Billionen Elektronenvolt. Bei diesen extremen Energien wird der Gamma-Himmel von den hadronischen Interaktionen von Protonen aus Mikroquasaren dominiert, was ein klares Signal erzeugt, das weniger durch andere Prozesse kontaminiert ist. Unterhalb dieses Schwellenwerts zeigten die Daten einen leichten Überschuss, den das Modell nicht vollständig erfassen konnte, was wahrscheinlich auf Elektronen zurückzuführen ist, die Licht streuen, oder auf schwache, unaufgelöste Quellen, die zu lichtschwach sind, um einzeln gesehen zu werden. Diese verbleibende Lücke verdeutlicht, wo zukünftige Beobachtungen das Bild verfeinern können, aber die Kernerkenntnis bleibt robust: Der diffuse hochenergetische Himmel ist ein Komposit aus zwei unterschiedlichen Populationen.

Die Studie enthüllte auch, wie die Struktur der Galaxis das beeinflusst, was wir sehen. Da Neutrinos nur entstehen, wenn kosmische Strahlen mit dichten Gaswolken kollidieren, ist die resultierende Karte der Neutrino-Emission kein glattes, gleichmäßiges Leuchten. Stattdessen zeichnet sie die filamentöse, klumpige Struktur des interstellaren Mediums nach und erzeugt lokalisierte „Hot Spots“, an denen das Gas am dichtesten ist. Diese Punkte markieren nicht notwendigerweise den Ort eines aktiven Beschleunigers; vielmehr zeigen sie, wo das stetige Meer der kosmischen Strahlen, das aus allen Richtungen fließt, zufällig auf die meiste Materie trifft. Diese Unterscheidung ist für Astronomen, die nach neuen Punktquellen suchen, von entscheidender Bedeutung, da sie ihnen hilft, das wahre Signal eines spezifischen Objekts vom komplexen, texturierten Hintergrund der Galaxis zu trennen.

Durch die Entkopplung der Beiträge von Supernova-Überresten und Mikroquasaren haben die Forscher einen flexiblen Rahmen geschaffen, der getestet und aktualisiert werden kann, sobald neue Daten eintreffen. Ihre Arbeit legt nahe, dass der diffuse Hintergrund kein einzelnes, monolithisches Gebilde ist, sondern ein vielschichtiger Wandteppich, der aus verschiedenen kosmischen Fäden gewebt wurde. Dieses Verständnis bietet eine solide Grundlage für die nächste Generation von Multi-Messenger-Observatorien, die Neutrinos und Gammastrahlen nutzen werden, um tiefer in die Galaxis zu blicken. Mit einem klareren Bild des Hintergrunds werden diese Instrumente besser in der Lage sein, die leistungsstärksten Beschleuniger im Universum zu identifizieren und das schwache, diffuse Leuchten der Milchstraße in eine präzise Karte ihrer gewaltigsten und energiereichsten Prozesse zu verwandeln.