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Astrophysik

Woher kommt die kosmische Strahlung?

Von Jan Hattenbach
 - 06:00
Modell des Detektors IcCube: Lichtsensoren eingeschmolzen im Eis der Antarktis Bild: IceCube, F.A.Z.

Immer Ärger mit den Neutrinos. Erst vor kurzem machten die ungeladenen Teilchen, die jegliche Materie fast ungehindert durchdringen können, Furore, waren sie doch angeblich schneller unterwegs als das Licht. Schuld daran ist wahrscheinlich ein defektes Kabel an einer Messapparatur gewesen. Nun stellen Neutrinos ein gängiges Modell für die Entstehung der kosmischen Strahlung auf den Kopf. Mit dem Neutrinoteleskop „IceCube“ am Südpol hat eine internationale Forschergruppe zwei Jahre lang nach energiereichen Neutrinos aus sogenannten Gammastrahlen-Ausbrüchen, den Gamma Ray Bursts, gesucht - vergeblich. Zwischen 2008 und 2010 ist ihnen kein einziges dieser Teilchen ins Netz gegangen.

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Kosmische Todesschreie

Gammastrahlen-Ausbrüche sind die gewaltigsten Explosionen, die Astronomen im Weltall beobachten. Astrophysiker glauben, dass viele der Ausbrüche „Todesschreie“ massereicher Sterne sind, die zu Schwarzen Löchern kollabieren. Dabei müssten starke Magnetfelder im Spiel sein, die die geladenen Teilchen der Umgebung auf höchste Energien beschleunigen. Die Gammastrahlen-Ausbrüche galten daher bislang als heiße Kandidaten für „kosmische Superbeschleuniger“ und damit als Ursprungsorte der energiereichen Teilchenstrahlung, die unseren Planeten ohne Unterlass bombardiert.

Rätselhafte kosmische Teilchen

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Während der Löwenanteil der kosmischen Teilchenstrahlung eine mittlere Energie aufweist und von Sternen wie der Sonne stammt, so können einige Partikeln, Wasserstoffkerne zumeist, das Millionenfache der Energie besitzen, die in den leistungsfähigsten irdischen Teilchenbeschleunigern erreicht wird. Die Herkunft dieser energiereichen Teilchen ist immer noch rätselhaft, obwohl die kosmische Strahlung bereits vor einhundert Jahren entdeckt wurde. Gefährlich sind die energiereichen Teilchen aus dem All übrigens nicht: Das Magnetfeld und die Atmosphäre unseres Planeten bieten einen zuverlässigen Schutz.

Als kosmische Teilchenschleudern sollten Gammastrahlen-Ausbrüche massenweise Neutrinos aussenden, diese müssten gleichzeitig mit der Gammastrahlung auf der Erde eintreffen. Neutrinos entstünden, wenn die beschleunigten Wasserstoffkerne mit Lichtteilchen zusammenprallen. Während die elektrisch geladenen Kerne durch galaktische Magnetfelder auf verworrene Bahnen gezwungen werden, gelangen die ungeladenen Neutrinos auf direktem Weg zur Erde und weisen damit zum Ort ihrer Entstehung hin.

Die Nullmessung

Mehr als dreihundert solcher Gammablitze haben die Forscher von IceCube untersucht: „Immer dann, wenn am Himmel ein Gammablitz erscheint, werden seine Position und der Zeitpunkt der Explosion von Satelliten erfasst“ erklärt Christopher Wiebusch von der RWTH Aachen, Mitautor der in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 484, S. 351) veröffentlichten Studie. „Wir prüfen in den aufgezeichneten Daten nach, ob wir mit unserem Detektor in dieser Zeit ein Neutrino registriert haben, das aus der Richtung des Gamma-Ausbruches kam.“ Die meiste Zeit ist das nicht der Fall, denn fast alle dieser flüchtigen Neutrinos durchqueren die Erde, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen. Dennoch hätten Wiebusch und seine Kollegen etwa acht Neutrinos aus allen untersuchten Gammablitzen erwartet. Gesehen haben die Wissenschaftler allerdings nichts.

Der Detektor im ewigen Eis

Sind Gammablitze also doch nicht die lang gesuchten Superbeschleuniger der kosmischen Strahlung? Wiebusch hält das für wahrscheinlich. Schließlich hat noch niemand einen Gammastrahlen-Ausbruch aus der Nähe untersuchen können - sie spielen sich in weit entfernten Galaxien ab. Vielleicht sind die physikalischen Prozesse auch ganz andere? „Im Grunde wissen wir nicht, was da wirklich passiert - wir haben nun zumindest gelernt, was dort nicht passiert“, meint Wiebusch.

Von der Funktionsfähigkeit ihres Detektors sind die Physiker überzeugt. Weil Neutrinos selbst durch die gesamte Erde fast ungehindert hindurchfliegen können, hat IceCube eine recht große Ausdehnung. Das Neutrinoteleskop entspricht einem Eiswürfel mit einem Kilometer Kantenlänge. Mehr als 5000 lichtempfindliche, fußballgroße Sensoren, Doms (Digital Optical Module) genannt, wurden in das Eis der Antarktis eingeschmolzen, direkt am geographischen Südpol. An 86 senkrecht nach unten verlaufenden Leitungen hängen die Sensoren wie Perlen an einer Kette in rund zwei Kilometer Tiefe in völliger Dunkelheit. Dort registrieren sie die schwachen Lichtblitze, die von geladenen Myonen erzeugt werden. Die schweren Verwandten der Elektronen entstehen einerseits, wenn die Protonen der kosmischen Strahlung auf die Erdatmosphäre treffen.

Myonenschauer zeigen den Weg

Diese atmosphärischen Myonen regnen von oben auf das Eis. Andererseits können auch Myonen von „unten“, also aus Richtung des Erdinnern kommen, und genau für diese interessieren sich die Physiker, da sie nur von Neutrinos erzeugt worden sein können. Registrieren gleichzeitig mehrere Doms die Leuchtspur der Myonen, so lässt sich die Flugbahn des Myons und damit die Herkunftsrichtung des ursprünglichen Neutrinos bestimmen. Rund hunderttausend Neutrinos weist die Apparatur im Mittel pro Jahr nach. Bislang scheinen diese aus völlig beliebigen Richtungen zu stammen, eine eindeutige Quelle ließ sich am Himmel bislang nicht ausmachen.

Suche nach Quellen kosmischer Strahlung

“Vor fünfzehn Jahren träumten wir davon, die kosmischen Strahlungsquellen mit einem hundertfach kleineren Detektor als IceCube zu finden“, erzählt Wiebusch. Nun scheint es, als müssten sich die Forscher nach anderen Quellen für die kosmische Strahlung umsehen. Eine Möglichkeit wären aktive Galaxienkerne - Schwarze Löcher also, milliardenfach massereicher als die Sonne, in die große Mengen Gas und Staub stürzen. Solche Materiestaubsauger sind um Größenordnungen energiereicher als Gammablitze - und vor allem langlebiger. Die Hochenergie-Neutrinoastronomie jedenfalls hat ihr erstes wichtiges astrophysikalisches Ergebnis erbracht. Es ist zu erwarten, dass die junge Forschungsdisziplin noch weitere Überraschungen bereithält. Das IceCube-Teleskop, das Ende 2010 fertiggestellt wurde, soll noch mehr als zehn Jahre nach kosmischen Neutrinos suchen. Werden die Resultate weiterhin an den Grundfesten ihrer theoretischen Modelle rütteln, wird es für die Astrophysiker häufiger heißen: zurück ans Reißbrett.

Quelle: F.A.Z.
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