Schattenblick →INFOPOOL →NATURWISSENSCHAFTEN → ASTRONOMIE

FORSCHUNG/364: Verborgener Ursprung im Universum (uni.kurier.magazin - Uni Erlangen)


uni.kurier.magazin - 109/September 2008
Wissenschaftsmagazin der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Verborgener Ursprung im Universum
Elementarteilchen aus dem Weltraum oder
die Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung

Von Christian Stegmann


Die Universität Erlangen-Nürnberg ist um ein Forschungszentrum reicher. Das 2007 gegründete Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) vereint die Kompetenzen der Universität im Bereich der Neutrino-, Gammastrahlungs- und Röntgenastronomie. Das ECAP bietet damit in einmaliger Weise einen Rahmen für Forschungen im Bereich der Astroteilchenphysik, eines jungen Forschungsgebiets an der Schnittstelle von Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie. Im Fokus der Astroteilchenphysik steht die Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung, eines beständigen Stroms hochenergetischer subatomarer Teilchen, der die Erde aus den Tiefen des Weltraums trifft. Diese Teilchen weisen die höchsten bekannten Energien auf und enthalten Information über extreme Orte des Universums. Entdeckt wurde die Kosmische Strahlung vor fast 100 Jahren vom österreichischen Physiker Viktor Hess.


Als Viktor Hess am Morgen des 7. August 1912 die Gondel eines Ballons besteigt, wusste er nicht, dass er nun ein neues, bis dahin unbekanntes Fenster zum Kosmos aufstoßen würde. Sein Aufstieg in große Höhen bis zu 5.000 Meter war die letzte aus einer Reihe von sieben Forschungsfahrten zur Untersuchung des damals noch weitgehend unverstandenen Phänomens der Luftionisation: der Aufspaltung der Luft in positiv und negativ geladene Teilchen durch eine energiereiche ionisierende Strahlung. Die Ionisierung führt dazu, dass selbst gut abgeschirmte Messgeräte eine Restleitfähigkeit in Luft registrieren.


Geladene Atmosphäre

Damals vermuteten die Physiker, dass die Ursache für die Luftionisation in der erst seit wenigen Jahren bekannten natürlichen Radioaktivität zu suchen sei; die natürliche radioaktive Strahlung ist energetisch genug, um Luftmoleküle zu ionisieren. Sie erwarteten, dass mit zunehmender Höhe über den Erdboden die Konzentration radioaktiver Stoffe und damit auch die Luftionisation abnehmen müsse.

Erste Messungen oberhalb des Erdbodens, unter anderem auf dem Pariser Eiffelturm, zeigten jedoch eine viel größere Restleitfähigkeit der Atmosphäre, als es aufgrund der bereits gut bekannten Abschwächung radioaktiver Strahlung zu erwarten war. Bereits um 1910 wurde daher erstmals die Vermutung geäußert, dass die Luftionisation ihre wahre Ursache in einer aus dem Weltraum kommenden Strahlung habe. Bewiesen werden konnte das jedoch nicht.

Mit Hilfe erster Messungen in einem Ballon in Höhen von 2.000 bis 3.000 Metern bestätigte Viktor Hess im Jahre 1912, dass die Luftionisation nicht in dem erwarteten Maße abnahm. Er fand sogar erste Anzeichen für einen Anstieg der Luftionisation. Auf seiner siebten und entscheidenden Ballonfahrt maß Hess in einer Höhe von 5.000 Metern einen um ein Vielfaches höheren Wert, der nur durch eine Quelle der ionisierenden Strahlung außerhalb der Erdatmosphäre zu erklären war. Der Beweis war gelungen: Die Ursache der Luftionisation ist eine Strahlung, die aus dem Weltraum auf die Erde trifft. Für die Entdeckung der Kosmischen Strahlung erhielt Viktor Hess im Jahre 1936 den Nobelpreis für Physik.


Mückenflügel und schwere Steine

Die Natur der Kosmischen Strahlung blieb noch für einige Jahrzehnte unverstanden. Viktor Hess vermutete zunächst wegen der hohen Durchdringungskraft eine hochenergetische elektromagnetische Strahlung und verwendete die Bezeichnung "Ultragammastrahlung". Letztlich übernahm er aber, auch wegen der nachfolgenden Forschungsergebnisse, die heute übliche Bezeichnung "Kosmische Strahlung" (engl. Cosmic rays).

Heute haben wir einen guten Überblick über die Eigenschaften der Kosmischen Strahlung in der unmittelbaren Umgebung der Erde. Sie besteht im Wesentlichen aus Protonen, das heißt Wasserstoffkernen, und einem kleinen Anteil von schweren Atomkernen und Elektronen. Kosmische Strahlung überdeckt einen gewaltigen Energiebereich, beginnend bei Teilchen mit einer Energie von einigen 109 Elektronenvolt - einem Tausendstel der Energie, des Flügelschlags einer Mücke - bis hin zu Teilchen mit einer Energie von über 1020 Elektronenvolt, einer Energie, die ausreicht, einen 1.5 kg schweren Stein im Schwerefeld der Erde um 1 m zu heben. Der Fluss an Teilchen fällt über den gesamten Energiebereich um mehr als 32 Größenordnungen. Beträgt der Fluss an Teilchen bei einer Energie von 109 Elektronenvolt noch etwa 1 Teilchen/cm²/s, so fällt der Fluss bei einer Energie von 1020 Elektronenvolt auf 1 Teilchen/km²/Jahrhundert.

Obwohl der Fluss an Teilchen der Kosmischen Strahlung klein ist, ergibt sich doch aufgrund der sehr großen Teilchenenergien eine Energiedichte, die durchaus mit der des Sternenlichts oder des interstellaren Magnetfelds vergleichbar ist. Es erscheint naheliegend, dass die Kosmische Strahlung einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung unseres Milchstraßensystems geliefert hat und immer noch liefert.


Gedächtnisverlust auf dem Weg durchs All

Auch fast einhundert Jahre nach der Entdeckung der Kosmischen Strahlung sind ihre Quellen unbekannt. Wir wissen weder, wo Kosmische Strahlung entsteht, noch wie sie auf die gewaltigen Energien beschleunigt wird. Die Entdeckung der Quellen wäre ein wichtiger, wenn nicht entscheidender Beitrag zum umfassenden Verständnis der Kosmischen Strahlung und ihrer Rolle bei der Entwicklung unseres Universums.

Der überwiegende Teil der Kosmischen Strahlung kann bei dieser Suche keine eindeutigen Hinweise liefern. Das Magnetfeld, das sowohl unser Milchstraßensystem als auch den intergalaktischen Raum durchdringt, lenkt die elektrisch geladenen Teilchen ab. Die Teilchen bewegen sich nicht auf geraden Bahnen. Auf ihrem Weg durch den Kosmos verlieren sie jegliche Information über ihren Ursprung.

Gänzlich unbeeinflusst von galaktischen und intergalaktischen Magnetfeldern bleiben hingegen elektrisch neutrale Teilchen, wie Photonen und Neutrinos. Hier setzt das Erlangen Centre for Astroparticle Physics an. Wissenschaftler des ECAP sind an führenden Experimenten der Neutrino- und Gammastrahlungsastronomie beteiligt.


Nachricht aus Sonnenzentrum und Supernova

Neutrinos sind ideale Botschafter aus dem Kosmos. Sie werden ausschließlich bei Wechselwirkungen von Protonen und Kernen mit Materie erzeugt, sind elektrisch neutral und weisen ein sehr großes Durchdringungsvermögen auf. Neutrinos erreichen uns daher ohne nennenswerte Ablenkung auch aus sehr dichten Quellen und über große kosmische Entfernungen. Das große Durchdringungsvermögen, ihre geringe Wechselwirkungswahrscheinlichkeit, macht den Nachweis der Neutrinos jedoch zu einer großen experimentellen Herausforderung: Um die in der Sonne erzeugten Neutrinos mit Energien von einigen Megaelektronenvolt auf die Hälfte der ursprünglichen Anzahl zu verringern, wäre eine Bleiabschirmung mit einer Dicke von etwa einem Lichtjahr (1016 m) erforderlich. Dass der Nachweis kosmischer Neutrinos dennoch möglich ist, haben Raymond Davis und Masatoshi Koshiba in ihren Pionierarbeiten gezeigt, für die beide 2002 den Nobelpreis für Physik erhielten. Über viele Jahre untersuchte Davis Neutrinos, die uns aus dem Zentrum der Sonne erreichen. Masatoshi Koshiba konnte darüber hinaus mit dem Kamiokande-Detektor erstmalig Neutrinos aus einer Supernova-Explosion, der Supernova SN 1987A, nachweisen.

Davis' Neutrinos aus der Sonne und Koshibas Neutrinos aus der Supernova sind jedoch niederenergetische Neutrinos, die nicht von Kosmischer Strahlung erzeugt wurden. Bisher ist es, trotz großer experimenteller Anstrengungen, nicht gelungen, hochenergetische Neutrinos aus einer der wahrscheinlichen Quellen Kosmischer Strahlung zu entdecken. Schon der Nachweis einiger weniger Neutrinos aus Richtung einer möglichen Quelle könnte der zweifelsfreie Beweis für die Beschleunigung Kosmischer Strahlung sein.


Tiefseefallen für Neutrinos

Neutrinoteleskope wollen hochenergetische kosmische Neutrinos nachweisen. Dafür werden große Volumina von 0,1 bis zu einigen Kubikkilometern Größe transparenter Materie, wie Wasser oder Eis, mit Lichtsensoren instrumentiert. In den seltenen Fällen, in denen ein Neutrino mit einem Wassermolekül wechselwirkt, entsteht ein geladenes Teilchen, ein Myon. Das Myon erzeugt einen charakteristischen Lichtblitz (Cherenkov-Licht), den die Lichtsensoren aufzeichnen. Ein Gitter von Lichtsensoren erlaubt die Richtungsrekonstruktion des Myons. Für sehr hochenergetische Neutrinos stimmt die Flugrichtung mit der des erzeugten Myons überein.

Die Teleskope sind in großen Tiefen installiert und schauen durch die Erde. Wissenschaftler des ECAP sind an den großen europäischen Neutrinoexperimenten ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research) und dem Nachfolgeprojekt KM3NeT (Km3 Neutrino Telescope) federführend beteiligt. Das Teleskop ANTARES im Mittelmeer vor der französischen Küste in einer Tiefe von 2.500 Metern beobachtet den Südhimmel. ANTARES befindet sich in der Anlaufphase und hat in den letzten Monaten die Wirksamkeit dieser Nachweistechnik eindrucksvoll belegt. Das Nachfolgeprojekt KM3NeT soll 2012 seinen Messbetrieb aufnehmen.


Blitzlichter in großer Höhe

Gammastrahlung eignet sich ebenfalls in hervorragender Weise für die Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung. Gammastrahlung ist eine elekromagnetische Strahlung wie sichtbares Licht mit einer milliardenfach größeren Energie der Photonen. Photonen der Gammastrahlung, die durch Wechselwirkungen hochenergetischer Kosmischer Strahlung in den Quellen erzeugt werden, erreichen geradlinig die Erde. Ihre Flugrichtung zeigt direkt zum Ort ihrer Entstehung zurück. Gammastrahlungsquellen sind sehr wahrscheinlich Ursprungsorte Kosmischer Strahlung.

Unsere Atmosphäre ist undurchsichtig für Gammastrahlung. Die Beobachtung oberhalb von 1010 Elektronenvolt ist nur indirekt durch den Nachweis von Sekundärprodukten mit bodengestützten Experimenten möglich. Abbildende Cherenkov-Teleskope sind die erfolgreichste Nachweistechnik auf dem Boden: Trifft ein Gammaquant auf unsere Atmosphäre, so entsteht ein bläulicher Lichtblitz (Cherenkov-Licht) in 8-10 km Höhe. Teleskope am Erdboden sammeln dieses Licht und zeichnen es auf. Den Durchbruch in der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie war 1989 die Entdeckung des Krebsnebels im Licht der Gammastrahlung bei Photonenenergien oberhalb von 1011 eV. Der Krebsnebel ist auch heute noch die stärkste stetige Gammastrahlungsquelle und dient als die Standardkerze der Gammastrahlungsastronomie, an der neue Experimente überprüft und geeicht werden können.

Das zurzeit weltweit empfindlichste Gammastrahlungsexperiment ist H.E.S.S. (High Energy Stereocopic System), an dem Wissenschaftler des ECAP beteiligt sind. Die Empfindlichkeit des Instruments zeigt sich in der Beobachtungszeit, die nötig ist, um den Krebsnebel zweifelsfrei nachzuweisen. Waren es bei der Entdeckung vor 15 Jahren noch 50 Stunden Beobachtungszeit, so weist H.E.S.S. den Krebsnebel heute innerhalb von nur 30 Sekunden nach. H.E.S.S. hat in den letzten Jahren eine Vielzahl von hochenergetischen Gammastrahlungsquellen und somit mögliche Quellen der Kosmischen Strahlung entdeckt.


Energiegewinn durch Ping-Pong-Effekte

Thermische Prozesse können Teilchen nicht auf die Energien beschleunigen, die in der Kosmischen Strahlung zu finden sind. Stattdessen müssen Prozesse eine Rolle spielen, die es erlauben, den Ausfluss an Energie einer Quelle effizient auf eine relativ geringe Anzahl von Teilchen zu übertragen.

Bereits 1949 entdeckte der italienische Physiker Enrico Fermi (1901-1954) einen Mechanismus, der Teilchen im Weltall auf hohe Energien zu beschleunigen vermag. Fermi betrachtete die Reflektion von Teilchen an magnetisierten Plasmawolken im Weltall. Wird ein Teilchen an einer solchen Wolke gespiegelt, so kann es - abhängig von der Relativbewegung zwischen beiden Stoßpartnern - entweder Energie gewinnen oder verlieren. Es zeigt sich, dass ein Teilchen im statistischen Mittel immer Energie gewinnt. Der Mechanismus ist aber nicht effizient genug, um die Energiedichte der Kosmischen Strahlung zu erklären.

Einen ähnlichen, aber effizienteren Prozess findet man in Überresten von Supernova-Explosionen. Explodiert ein Stern als Supernova, so breitet sich eine Stoßwelle in das umgebende Medium aus, die interstellare Materie durchdringt, aufsammelt und vor sich hertreibt. Teilchen der interstellaren Materie diffundieren mehrfach durch die Stoßwelle und gewinnen jedesmal Energie - ein mechanisches Analogon wäre ein Tischtennisball, der zwischen zwei Tischtennisschlägern hin und her fliegt, während sich die Schläger aufeinander zu bewegen. Bei jedem Stoß mit einem der Schläger wird der Ball beschleunigt und gewinnt so Energie.


Pulsarwindnebel, Schwarze Löcher und Galaxienkerne

Supernova-Überreste gelten als wahrscheinliche Quellen der Kosmischen Strahlung in unserem Milchstraßensystem. Die maximale erreichbare Energie in Supernova-Überresten von 1016 Elektronenvolt ist durch die Lebensdauer von Supernova-Stoßwellen, also durch die maximale Beschleunigungszeit von etwa 10.000 Jahren gegeben. Neben dem attraktiven Beschleunigungsmechanismus spricht ein weiteres Argument für die Supernova-Überreste als Beschleuniger. Bei einer erwarteten Rate von einer Supernova-Explosion innerhalb von 30 Jahren in unserer Galaxis muss nur ein Anteil von etwa zehn Prozent der Energie der Stoßwelle auf die beschleunigte Materie übertragen werden, um die Energiedichte der Kosmischen Strahlung unseres Milchstraßensystems zu erzeugen.

Neben den Supernova-Überresten gibt es noch weitere mögliche Orte für die Quellen kosmischer Strahlung: Gewaltige elektrische Felder in der direkten Umgebung von Pulsaren oder Stoßwellen in der Nähe von Pulsarwindnebeln könnten Beschleuniger sein. In Röntgen-Doppelsystemen wird Materie durch ein massereiches kompaktes Objekt, zum Beispiel ein Neutronenstern oder Schwarzes Loch, von einem Begleitstern angezogen (akkretiert). Im Akkretionsprozess bildet sich eine Scheibe aus Materie um das massereiche Objekt und senkrecht dazu schießen relativistische Materieströme (Jets) weit in den interstellaren Raum hinaus. Innerhalb der Jets bilden sich Stoßwellen, in denen Teilchen beschleunigt werden können.

Die akkretierende Komponente eines Röntgen-Doppelsystems ist die energieärmere Version von Kernen aktiver Galaxien (Active Galactic Nuclei, AGN). In einem AGN liegt ein massereiches Schwarzes Loch mit einer typischen Masse von einer Milliarde Sonnen. Das Schwarze Loch akkretiert Materie aus der Galaxie. In den dabei entstehenden relativistischen Jets mit Längen von bis zu vielen hunderttausend Lichtjahren bilden sich Stoßwellen, die es ermöglichen, Teilchen auf allerhöchste Energien zu beschleunigen. AGN gelten heute als wahrscheinliche Kandidaten für die Beschleuniger der Kosmischen Strahlung bis hin zu den höchsten Energien.


Der Himmel über H.E.S.S.

H.E.S.S. hat in den letzten Jahren die Anzahl der bekannten Quellen von etwa einem Dutzend auf über 40 Quellen erhöht. Besonders in der ersten empfindlichen Durchmusterung des inneren Teils der Milchstraße entdeckte H.E.S.S. mehr als zwanzig neue Quellen hochenergetischer Gammastrahlung. Außerdem gelang es erstmals, Bilder von Supernova-Überresten im Licht der Gammastrahlung aufzunehmen. Mit dem Nachweis der Schalen der Supernova-Überreste als Quellen der Gammastrahlung ist der Beweis gelungen, dass dort Teilchen, entweder Elektronen oder Protonen, durch Stoßwellen auf Energien von 1014 Elektronenvolt beschleunigt werden. Es ist jedoch noch nicht geklärt, ob diese Supernova-Überreste die lange gesuchten Beschleuniger der Protonen, des überwiegenden Teils der Kosmischen Strahlung, sind.

Gammastrahlung kann sowohl von Protonen als auch von Elektronen hoher Energie erzeugt werden. Der Beitrag der Photonen aus Wechselwirkungen hochenergetischer Elektronen zur gesamten Gammastrahlungsleistung einer Quelle hängt entscheidend von der Stärke der Magnetfelder am Ort der Beschleunigung ab. Starke Felder führen zu einem starken Energieverlust der Elektronen durch Synchrotronstrahlung. Die Synchrotronstrahlung reicht vom Radio- bis in den Röntgenbereich. Röntgensatelliten können daher einen wesentlichen Beitrag zur Messung des Beitrags von Elektronen zur Gammastrahlung liefern.


Das ECAP - Wir setzen Schwerpunkte

Das Erlangen Centre for Astroparticle Physics vereint mit Neutrino-, Gammastrahlungs- und Röntgenastronomie für die junge Wissenschaft der Astroteilchenphysik relevante Forschungsfelder. Auch die klassische Astronomie und die Entwicklung neuer Detektoren sind in das ECAP eingebunden. Damit setzt die Universität Erlangen-Nürnberg einen Schwerpunkt für Beteiligungen an Großprojekten und die Analyse von Messdaten. Das ECAP schafft so einmalige wissenschaftliche und logistische Voraussetzungen, um ein umfassendes und kohärentes Bild des hochenergetischen Universums zu erhalten und Antworten auf die fast einhundert Jahre alte Frage nach den Quellen der Kosmischen Strahlung zu geben.

Am ECAP arbeiten 80 Wissenschaftler in verschiedenen Arbeitsgruppen. 20 Techniker in einer elektronischen und einer mechanischen Werkstatt und 2.000 Quadratmeter Labor- und Produktionsflächen stehen zur Unterstützung der Forschungsarbeiten zur Verfügung. Das ECAP ermöglicht Diplomanden und Doktoranden wissenschaftliches Arbeiten in aktuellen Forschungsvorhaben und internationalen Projekten.


Prof. Dr. Christian Stegmann ist Inhaber einer Professur für Astroteilchenphysik, Leiter der H.E.S.S.-Gruppe am Lehrstuhl für Experimentalphysik (Astroteilchenphysik) der Universität Erlangen-Nürnberg und Mitglied des Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP).


*


Quelle:
uni.kurier.magazin Nr. 109/September 2008, S. 42-45
Informations-Magazin der
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Herausgeber: Der Rektor
Redaktion: Schlossplatz 4, 91054 Erlangen
Tel.: 09131/85-0, Fax: 09131/85-22131
E-Mail: presse@zuv.uni-erlangen.de
Internet: www.uni-erlangen.de

Das Wissenschaftsmagazin der Friedrich-Alexander-
Universität Erlangen-Nürnberg erscheint 1 x jährlich.
Es informiert seit 1975 über Aktivitäten und Vorhaben
der Universität in den Bereichen Forschung, Lehre und
Hochschulpolitik.


veröffentlicht im Schattenblick zum 5. November 2008