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Teilchenbeschuss aus dem All

Historisches Foto von Victor Hess kurz vor einem seiner Aufstiege im Forschungsballon.

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Historisches Foto von Victor Hess kurz vor einem seiner Aufstiege im Forschungsballon.

Der österreichische Physiker Victor Hess entdeckte 1912 die kosmische Strahlung auf damals recht abenteuerliche Weise. Hess beschäftigte sich mit der Frage, worauf die elektrische Leitfähigkeit der Luft beruht. Es bestand bereits die Vermutung, dass energiereiche Teilchen aus dem Kosmos dies bewirken. Dann müsste, so folgerte Hess, die elektrische Leitfähigkeit in großer Höhe ansteigen. Zwischen 1911 und 1913 stieg der wagemutige Forscher mit Freiballonen in Höhen von über 5000 Meter auf und konnte den vorhergesagten Effekt tatsächlich nachweisen. Damit lieferte er den Beweis, dass kosmische Strahlungsteilchen in die Atmosphäre eindringen und darin Atome ionisieren. Den Begriff kosmische Strahlung prägte 1924 der amerikanische Physiker Robert Millikan.

Das Energiespektrum der Teilchen der kosmischen Strahlung erstreckt sich über 13 Zehnerpotenzen.

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Das Energiespektrum der Teilchen der kosmischen Strahlung erstreckt sich über 13 Zehnerpotenzen. Insbesondere die Herkunft der Teilchen mit höchsten Energien ist ungewiss.

Heute ist bekannt, dass die kosmische Strahlung im Wesentlichen aus Atomkernen mit ganz unterschiedlichen Energien besteht. Diese sind mitunter um viele Zehnerpotenzen höher als in den größten Teilchenbeschleunigern auf der Erde. Die energiereichsten Atomkerne, die man bislang registriert hat, besaßen fast soviel Bewegungsenergie wie ein stark geschlagener Tennisball.

Für die Entwicklung des Kosmos ist die kosmische Strahlung sicher bedeutsam. Hierfür spricht allein schon die Tatsache, dass in ihr ebensoviel Energie steckt wie im gesamten Sternenlicht oder in allen kosmischen Magnetfeldern des Universums zusammen.

Auf der Suche nach den kosmischen Beschleunigern

Bei all den Fortschritten der vergangenen Jahrzehnte ist immer noch weitgehend unbekannt, welche Himmelskörper die Teilchen beschleunigen und auf welche Weise dies geschieht. Eines ist aber klar: Die physikalischen Prozesse müssen sich fundamental von denen unterscheiden, die beispielsweise für das sichtbare Licht der Sterne verantwortlich sind. Letztere nennt man "thermische Strahlung." Ihre Energie wächst mit der Temperatur des leuchtenden Himmelskörpers. Vom Urknall abgesehen, ist aber kein Objekt im Weltall bekannt, das auch nur annähernd so hohe Temperaturen aufweist, um als Quelle für Teilchen der kosmischen Strahlung in Frage zu kommen. Hierfür müssen andere Mechanismen verantwortlich sein, die man als nicht thermisch bezeichnet.

Das energiereichste Ereignis im Universum, der Urknall, scheidet als Herkunftsquelle aus. Aus dem Anteil radioaktiver Kerne mit "kurzen" Zerfallszeiten in der kosmischen Strahlung kann man nämlich schließen, dass zwischen der Erzeugung der Partikel und ihrem Eintreffen in der Erdatmosphäre höchstens ein paar Millionen Jahre vergangen sein können. Damit ist auch klar, dass ein großer Teil der kosmischen Strahlung in unserer eigenen Galaxie erzeugt werden muss. Nur bei den allerhöchsten Energien spekuliert man auf einen Ursprung in fernen Galaxien.

Teilchen der kosmischen Strahlung lösen in der Hochatmosphäre eine Lawine von Sekundärteilchen aus.

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Teilchen der kosmischen Strahlung lösen in der Hochatmosphäre eine Lawine von Sekundärteilchen aus.

Das Studium der kosmischen Strahlung ist auch fast hundert Jahre nach Hess' Ballonflügen immer noch ein schwieriges Unterfangen. Wenn ein hochenergetisches Teilchen in die Atmosphäre eindringt, so stößt es in 20 bis 30 km Höhe mit einem Atomkern zusammen. Die beiden Kerne zerplatzen, und neue Teilchen werden frei, die weiter in Richtung Erdboden rasen. Diese treffen erneut auf Atomkerne und lösen weitere Teilchen aus. Erst wenn die Energie des Primärteilchens in dieser Kaskade aufgebraucht ist, kommt der Prozess zum Erliegen. Auf der Erde kommt ein so genannter Luftschauer an. Das bedeutet aber auch, dass die Primärteilchen selbst gar nicht auf der Erde ankommen. Wie lassen sie sich dann studieren?

Mit Weltraumexperimenten ist dies grundsätzlich möglich. Doch gerade die interessantesten Teilchen mit den ganz hohen Energien sind extrem selten. Bei relativ "bescheidenen" Energien von einigen Milliarden Elektronenvolt wird ein Satellit noch von vielen Teilchen pro Sekunde getroffen. Für die kosmischen Beschleuniger in unserer Galaxis sind aber Energien bis zu 10¹⁵ Elektronenvolt charakteristisch. Von ihnen kommt am Oberrand der Atmosphäre gerade noch ein Teilchen pro Jahr und Quadratmeter an. Bei den allerhöchsten Energien oberhalb von 10²⁰ eV erreicht uns etwa noch alle hundert Jahre ein Teilchen pro Quadratkilometer. Ein Satelliteninstrument mit einer etwa einen Quadratmeter großen Messfläche müsste hundert Millionen Jahre auf den ersten "Treffer" warten.

Elektrisch geladene Teilchen werden in den interstellaren Magnetfeldern der Milchstraße abgelenkt.

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Elektrisch geladene Teilchen werden in den interstellaren Magnetfeldern unseres Milchstraßensystems abgelenkt. Nur Teilchen mit den höchsten Energien sowie die neutralen Neutrinos fliegen auf geradlinigen Bahnen.

Die einzige, heute gangbare Alternative zu Weltraumexperimenten besteht darin, am Boden Stationen aufzubauen, mit denen sich die Luftschauerteilchen nachweisen lassen. Aus ihren Eigenschaften lässt sich dann auf Art und Energie des Primärteilchens rückschließen. Doch diese Art der Beobachtung ermöglicht es nicht, die Quelle eines Primärteilchens zu ermitteln oder gar Bilder von Himmelskörpern herzustellen. Magnetfelder im interstellaren Raum lenken die elektrisch geladenen Teilchen von ihren Bahnen ab und verschleiern somit jegliche Richtungsinformation. Allenfalls bei den energiereichsten Teilchen besteht die Hoffnung, einzelne Quellen am Himmel lokalisieren zu können.

Rätsel der höchsten Energien

Der Supernova-Überrest Cassiopeia A

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In den Schockwellen von Supernova-Überresten, wie dem hier gezeigten Cassiopeia A, werden Teilchen beschleunigt. Diese Aufnahme ist eine Überlagerung von Bildern der Weltraumteleskope Chandra (Röntgen, blau und grün), Hubble (optisch, gelb) und Spitze (mittleres Infrarot, rot). Das kompakte türkise Objekt (im Kästchen) ist der nur im Röntgenbereich sichtbare Neutronenstern.

Die Herkunft der energiereichsten Teilchen im Universum zählt mit zu den Schlüsselfragen der modernen Astrophysik. Die heißesten Kandidaten sind Supernovae. Bei einem solchen Ereignis entfernt sich eine Explosions- oder Schockwelle mit einigen zehntausend Kilometern pro Sekunde vom Vorläuferstern. Atomkerne werden in den Magnetfeldern, die solche Wellen mit sich führen, gefangen und gewinnen im Lauf der Zeit enorme Energien, ähnlich wie ein Surfer auf einer hohen Welle.

Die nahe Umgebung des Pulsares im Krebsnebel

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Auch Pulsare sind kosmische Teilchenbeschleuniger. Hier zu sehen ist die nahe Umgebung des Pulsars im Krebsnebel, aufgenommen mit den Weltraumteleskopen Chandra und Hubble.

Auch die Endstadien der explodierten Sterne, so genannte Pulsare, können Teilchen in ihren extrem starken Magnetfeldern beschleunigen.

Die Beschleunigung in Supernova Schockwellen reicht aber nach heutigem Wissen nicht aus, um die allerhöchsten in der kosmischen Strahlung gemessenen Energien zu erklären. Größere und stärkere Schockwellen treten wahrscheinlich in Teilchenstrahlen aktiver Galaxien auf. Diese so genannten Jets können mehrere hunderttausend Lichtjahre weit in den intergalaktischen Raum reichen. Sie sind derzeit Kandidaten für die kosmischen "Super-Teilchenbeschleuniger."

Die vermutlich mächtigsten Teilchenbeschleuniger

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Die mächtigsten Teilchenbeschleuniger sind vermutlich aktive Galaxien, in deren Zentrum ein riesiges Schwarzes Loch sitzt, das zwei Teilchenstrahlen (Jets) erzeugt.

Doch diese Hypothese wirft ein Problem auf: Die Teilchen stoßen auf ihrem Weg durch den intergalaktischen Raum mit der Mikrowellenstrahlung zusammen. Dadurch verlieren sie beständig Energie. Man vermutet, dass die Teilchen deshalb höchstens einige hundert Millionen Lichtjahre zurücklegen können. Innerhalb dieses Abstandsradius gibt es aber nur sehr wenige Galaxien um unser Milchstraßensystem herum, die als kosmische Beschleuniger überhaupt in Frage kommen.
Eine erst kürzlich veröffentlichte Hypothese vermutet einen ganz anderen Ursprung für einen Teil der kosmischen Strahlung. Sie könnte vielleicht bei Zerfällen sehr schwerer und bisher unbekannter Elementarteilchen oder anderer Relikte aus dem Urknall entstehen.

Die neuen Instrumente

Mit einer neuen Generation von Messinstrumenten untersuchen Astroteilchenphysiker heute und in naher Zukunft diese rätselhaften Teilchen. In Argentinien entsteht derzeit das Pierre-Auger-Observatorium, eine riesige Anlage, bei der zahlreiche Detektorstationen auf einer Fläche von über 3000 km² verteilt werden. Mit ihm werden die Luftschauer registriert, um daraus die Energien, Einfallsrichtungen und andere Eigenschaften der kosmischen Strahlungsteilchen bei allerhöchsten Energien genau zu vermessen. Hier kann man darauf hoffen, einige Quellen am Himmel zu finden.

Bei niedrigeren Energien ist dies wegen der Ablenkung in den interstellaren Magnetfeldern nicht möglich. Hier kommen neue Gamma- und Neutrinoteleskope ins Spiel. Der Trick besteht darin, dass man nicht die Teilchen selbst beobachtet, sondern deren Folgeprodukte, Neutrinos und Gammaquanten. Sie entstehen, wenn die Teilchen der kosmischen Strahlung noch im Umfeld ihres Entstehungsortes mit interstellarem Gas oder mit Strahlung in Wechselwirkung treten. Anders als die Teilchen selbst breiten sich die Gammaquanten und Neutrinos geradlinig aus. Sie erlauben es also, die Quellen zu identifizieren und sogar Himmelsaufnahmen anzufertigen.

Hochenergetische Gammastrahlung wird mit modernen Anlagen beobachtet. Sie nutzen die Atmosphäre gewissermaßen als Leuchtschirm. Dringt ein Gammaquant in die Atmosphäre ein, so entstehen bei Kollisionen mit Atomkernen elektrisch geladene Sekundärteilchen. Diese senden für den Bruchteil einer Sekunde ein bläuliches Licht aus. Das ist, als würde in der Hochatmosphäre kurzzeitig eine Leuchtstoffröhre aufflammen. Diese so genannte Tscherenkow-Strahlung lässt sich mit großen Spiegelteleskopen am Boden beobachten. Auf diese Weise ist es möglich, Bilder von Quellen hochenergetischer Gammastrahlung zu erstellen.

Das Band der Milchstraße in drei verschiedenen Spektralbereichen

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Das Band der Milchstraße in drei verschiedenen Spektralbereichen: Im Infraroten (oben) sieht man interstellare Staubwolken, im Optischen dominiert das Sternlicht und in dem Bereich extrem hoher Gammaenergie sieht man die "kosmischen Beschleuniger", vor allem Supernova-Überreste.

Diese Generation neuer Instrumente wird in den kommenden Jahren viele Rätsel der kosmischen Strahlung klären - und sehr wahrscheinlich wird sie neue Fragen aufwerfen. Interessant an diesem Forschungsgebiet sind auch die vielen Synergien mit anderen Bereichen der Astroteilchenphysik, Teilchenphysik und Astrophysik. Diese Art der Forschung offenbart uns eine bislang weitgehend unbekannte Facette des Universums.