Illustration von kosmischer Strahlung in der Atmosphäre

Victor Hess und die Entdeckung der kosmischen Strahlung

Im Jahr 1912 stieg der österrei­chische Physiker Victor Franz Hess siebenmal mit einem Ballon auf, um nachzuweisen, dass eine bisher unerforschte Strahlung aus dem All durch die Atmosphäre dringt. Doch es dauerte noch einige Jahre, bis die Existenz der sogenannten kosmischen Strahlung bekannt wurde. Schließlich entwickelte sich daraus die Astroteilchenphysik, die gemeinsam mit der Elementarteilchenphysik die Eigenschaften von Neutrinos oder Dunkler Materie erforscht.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts beschäftigten sich Wissenschaftler mit neuen Arten von Strahlung. So beobachtete Conrad Röntgen mit einer Kathodenstrahlröhre 1895 zu­fällig die nach ihm benannte Röntgenstrahlung. Nur wenige Monate später entdeckte Henri Becquerel ebenfalls zufällig die Radioaktivität. Beide Strahlungsarten wirken ionisierend, das heißt, sie können durch ihre hohe Energie Elektronen aus der Hülle von Atomen und Molekülen reißen. Zurück bleiben elektrisch geladene Ionen. Trifft ionisierende Strahlung auf Gas- oder Luftmoleküle, entstehen auch hier Ionen und die Luft wird elektrisch leitfähig.

Durch diesen Effekt gelang es Marie Curie Ende 1897, die Intensität der ionisierenden Strahlung von Uran sowie den von ihrem Mann Pierre neu entdeckten radioaktiven Elementen Thorium, Radium und Polonium zu messen. Sie benutzte dazu ein sogenanntes Elektrometer, das elektrische Spannungen anzeigt. Dazu muss das Elektrometer zunächst elektrisch aufgeladen werden, wodurch sich Metallblättchen oder –zeiger im Inneren des Geräts abstoßen. Werden Gasmoleküle innerhalb des Gehäuses ionisiert, kann die Spannung wieder abfließen, der Ausschlag des Zeigers geht entsprechend zurück.

Historische Zeichnung eines Elektrometers. Es besteht aus einem Glaskasten mit Holzrahmen, im Inneren sind die Metallplatte und das Aluminiumblatt aufgehängt, das Aluminiumblatt schwingt über eine Skala am Rande des Kastens.
Frühes Elektrometer

Weitere Untersu­chungen, unter anderem von Ernest Rutherford, führten zu der Erkenntnis, dass sich die ionisierende Strahlung aus drei Arten zusammensetzt, den α-, β- und γ-Strahlen. In Kanada ermittelte ab 1903 eine Gruppe um Rutherford die Absorption von γ-Strahlen in Ab­hängigkeit von der Dicke verschie­dener Materialien. Einer der Wissenschaftler, Adam Eve, entwickelte aus den Messwerten ein Absorptionsgesetz und konnte ab­schätzen, dass eine 1000 Meter dicke Atmosphärenschicht 99 Prozent der energiereichsten γ-Strahlung einer radioaktiven Quelle absorbiert.

Messungen am Boden, über dem Wasser und in der Luft

Für die weitere Forschung spielte das Zweifaden-Elektrometer, das der deutsche Physiker Theodor Wulf entwickelte, eine zentrale Rolle. Wulf konnte damit elektrische Spannungen genauer nachweisen und messen, als es mit bisherigen Geräten möglich war. Er untersuchte ionisierende Strahlung an der Erdoberfläche, in Bergwerken und unter Wasser, außerdem führte er zusammen mit seinem Kollegen Albert Gockel die ersten Beobachtungen in den Alpen durch. Dabei fanden sie keinen Hinweis auf einen Anstieg der Ionisation mit der Höhe. Aus den Ergebnissen der bis­herigen Messungen zog Wulf die Schlussfolgerung, dass „die durch­dringende Strahlung von primär radioaktiven Substanzen verursacht wird, welche in den obersten Erdschichten liegen, bis etwa einen Meter unter der Oberfläche.“ Um diese Hypothese zu belegen, führte er 1910 Messungen auf dem Eiffelturm durch. Entsprechend dem Absorp­tionsgesetz von Eve sollte die Strah­lung in 300 Meter Höhe 74 Prozent schwächer sein als am Boden. Die Werte von Wulf ergaben aber nur eine Abschwächung um 13 Prozent, was auf die Existenz radioaktiver „Emanationen“ (Ausstrahlungen) in der Atmosphäre hinwies.

Historische Fotografie von Pacini in einem Garten, während er durch das Rohr eines Messgeräts schaut, das auf einem Tisch steht.
Domenico Pacini

Einen anderen Zugang wählte der Ita­liener Domenico Pacini. Er führte 1910 und 1911 mit Wulfschen Elektrometern Ionisationsmessungen an Land und auf dem Meer durch. Auf dem Meer und speziell unter der Wasseroberfläche erwartete man einen wesentlich geringeren An­teil radioaktiver Substanzen. Die Resultate zeigten jedoch, dass die auf dem Meer gemessene Ionisa­tionsrate auf eine Strahlung hinweist, die unabhängig von der erdgebundenen Strahlung ist, vergleichbar mit der Schlussfolgerung von Wulf. Ballonfahrten von Albert Gockel und seinem Physikerkollegen Karl Bergwitz in den Jahren von 1908 bis 1911 zeigten außerdem, dass die Ionisation in der Atmosphäre zunächst abnahm und dann einen konstanten Wert in 1300 bis 2000 Meter Höhe annahm. Doch selbst in dieser Höhe lag der Wert noch bei 70 Prozent der über dem Erdboden gemessen Ionisation, was der Annahme von Eve zunächst widersprach.

Die Ergebnisse der Untersu­chungen deuteten übereinstimmend darauf hin, dass eine Strahlung existiert, welche die Atmosphäre durchdringt. Daher widmete sich der österreichische Physiker Victor Franz Hess der Aufgabe, die Absorption von γ-Strahlen in der Atmosphäre zu messen. Die Hypothese einer durchdringenden Strahlung beruhte darauf, dass das Absorptionsgesetz von Eve richtig sei. Das überprüfte Hess mit den stärksten im Institut verfügbaren γ-Quellen. Mit Absorptionsmessungen, bei denen der Abstand zwischen Detektor und Quelle bis zu 90 Meter betrug, bestätigte er Eves Gesetz.

Aufstieg eines Physikers

Schwarz-weiß-Bild von Victor Hess im Ballon, weitere Menschen stehen um den Ballon herum, im Hintergrund sind Bäume zu sehen.
Victor Hess im Ballon

Der nächste Schritt war die Planung und Durchführung eigener Ballonfahrten. Hess ließ sich 1911 zwei verbesserte, druckfeste Elektrometer für die Messung der γ-Strahlung und einen Detektor mit dünnen Wänden für die  β-Strahlung fertigen. Noch im selben Jahr absolvierte er zwei Fahrten. Die erste bestätigte die Beobachtung von Gockel, dass die Ionisation in 1000 Meter Höhe fast den Bodenwert erreicht. Auf der zweiten Fahrt machte er die interessante Entdeckung, dass die Strahlung in den Nachtstunden dieselbe Intensität hat wie am Tag. Damit konnte er die Sonne als Quelle der γ-Strahlung ausschließen. Die Kaiserliche Akademie der Wissenschaften finanzierte 1912 sieben weitere Fahrten. Die erste Fahrt am 17. April 1912 fand während einer partiellen Sonnenfinsternis statt, auch die Verfinsterung hatte keinen Einfluss auf die Strahlung. Zwei weitere Nachtfahrten zeigten das gleiche Ergebnis. Sie hatten außerdem den Vorteil, dass die atmosphärischen Verhältnisse in der Nacht viel stabiler waren als am Tag, sodass der Ballon für mehrere Stunden auf konstanter Höhe gehalten werden konnte.

Die anderen Fahrten bestätigten die schon bekannte Existenz einer durchdringenden Strahlung in der Atmosphäre. Die siebte Fahrt sollte schließlich in noch größere Höhen führen. Dazu nutzte Hess den mit 1680 Kubikmeter Wasserstoff gefüllten Ballon „Böhmen“ des deutschen Luftfahrtvereins in Böhmen. Gemeinsam mit dem Ballonführer und einem Meteorologen startete er am Morgen des 7. August in Aussig an der Grenze zu Sachsen, dem heutigen Ústi nad Labem in Tschechien. Über dem Schwielochsee im Süden Brandenburgs erreichten sie die maximale Höhe von 5350 Meter. Da Hess trotz Sauerstoffbeatmung unter Beschwerden litt, setzte er versehentlich den β-Detektor noch unterhalb von 4000 Meter Höhe außer Betrieb. Die beiden γ-Detektoren zeigten in 3600 Meter Höhe etwa vier bis fünf Ionen pro Kubikzentimeter und Sekunde mehr als am Boden an. Die Rate stieg dann bei einer mittleren Höhe von 4700 Meter auf 20 bis 24 Ionen, die mit dem β-Detektor gemessene Ionisation stieg kontinuierlich auf etwa 17 Ionen pro Kubikmeter und Sekunde in 3600 Meter Höhe. Frühere Beobachtungen hatten gezeigt, dass die Ionisation in den Wolken anstieg. Deren Einfluss konnte bei den Messungen ausgeschlossen werden, da es nur eine dünne Wolkendecke in etwa 6000 Meter Höhe gab.

Hess landete mittags in Bad Saarow etwa sechzig Kilometer südöstlich von Berlin. Zusammenfassend schrieb er: „Die Ergebnisse der vorliegenden Beobachtungen scheinen am ehesten durch die Annahme erklärt werden zu können, dass eine Strahlung von sehr hoher Durchdringungskraft von oben her in unsere Atmosphäre eindringt, und auch noch in deren untersten Schichten einen Teil der in geschlossenen Gefäßen beobachteten Ionisation hervorruft.“

Von der Bestätigung zur „Neuentdeckung“

Die Illustration zeigt Teilchenschauer bei Nacht. Sie gehen von drei Punkten am Nachthimmel nahe eines Sterns aus, von jedem Punkt entspringen fein verästelte Linien, welche die Spuren der Sekundärteilchen darstellen sollen. Einige von ihnen erreichen den Erdboden.
Kosmische Strahlung

Hess konnte zwar sicher sein, dass seine sehr sorgfältigen Messungen die Schlussfolgerung erlaubten, eine extraterrestrische Strahlung nachgewiesen zu haben. Dennoch war eine unabhängige Bestätigung der Resultate unbedingt erfor­derlich. Diesen wichtigen Schritt machte der Physiker Werner Kolhörster, der seine ersten drei Ballonfahrten im Sommer 1913 durchführte. Mit Wasserstoffballons erreichte Kolhörster Höhen von 4100, 4300 und 6300 Metern und bestätigte die Resultate von Hess. Eine weitere Fahrt führte im Juni 1914 sogar 9300 Meter hoch und zeigte in beeindruckender Weise den Zuwachs der Ionisation auf 80,4 Ionen pro Kubikzentimeter und Sekunde.

In den USA begann am California Institue of Technology nach dem Ersten Weltkrieg ein Pro­gramm zur Erforschung der durch­dringenden Strahlung. Robert Millikan und Ira Bowen führten dort 1921 unbemannte Ballonaufstiege mit einem einfachen Elektrometer mit automatischer Aufzeichnung der Daten durch. Oberhalb von 5500 Metern ermittelten sie einen Wert von 46,2 Ionen pro Kubikmeter und Sekunde, was dreimal höher war als die Ionisation am Boden und vergleichbar mit der Messung von Hess in 4700 Meter Höhe.

Im November 1926 publizierte Millikan gemeinsam mit Kollegen einen Artikel über ihre Absorptions­messungen der durchdringenden Strahlung in 3600 und 1577 Meter Höhe, in dem sie die Ent­deckung der kosmischen Strahlung für sich beanspruchten. Das führte natürlich zu heftigen Reaktionen, speziell von Hess und Kolhörster, die deutlich machten, dass die Strahlung nichts anderes sei, als die von ihnen gemessene. Erst mit der Verleihung des Nobelpreises 1936 wurde die Entdeckung der kosmischen Strahlung durch Victor Hess und seine bedeutende Rolle bei der Entwicklung des neuen Forschungsgebiets entsprechend gewürdigt und in der Öffentlichkeit bekannt.

Ein neues Fenster zum Kosmos

Die Existenz der kosmischen Strahlung war ab Ende 1926 nicht zuletzt durch die „Neuentdeckung“ allgemein akzeptiert. Im Zentrum der weiteren Aktivitäten stand die Erforschung ihrer Eigenschaften. Dabei spielten neue Detektoren wie die von Charles Thomson Rees Wilson 1911 entwickelte Nebelkammer, der Geiger-Müller-Zähler (1928) und die Koinzidenz­schaltung von Walther Bothe (1929) für den rasanten Erkenntnisgewinn eine entscheidende Rolle. Von 1928, als erste Hinweise auf den Teilchencharakter der kosmischen Strahlung gefunden wurden, bis 1948, als der erste Teil­chenbeschleuniger im kalifornischen Berkeley ge­zielte Experimente erlaubte, haben Experimente mit kosmischen Teil­chen den rasanten Fortschritt der Elementarteilchenphysik ermög­licht. Anfang der 1950er Jahre entstanden die beiden Forschungsrichtungen Astroteilchenphysik und Elementarteilchenphysik an Beschleunigern, was aber keine wirkliche Trennung bedeutete. Es gab immer einen intensiven Austausch an Ideen, theoretischen Modellen, experi­mentellen Methoden, Simulations- und Analysesoftware, aber auch an Wissenschaftlern, die ins andere Gebiet wechselten.

Das Bild zeigt eines der H.E.S.S.-Teleskope, dessen Spiegelfläche aus zahlreichen kleineren, runden Spiegeln zusammengesetzt ist. Im Hintergrund ist der Sonnenuntergang in einer Steppenlandschaft zu sehen.
H.E.S.S.-Observatorium

Das Forschungsspektrum der Astroteilchenphysik hat sich bis heute allerdings enorm erweitert. Es reicht von der Zusammen­setzung der kosmischen Strahlung und der Messung der Energie der verschiedenen Komponenten über die Teilchenstrahlung von der Sonne bis zum Einfluss kosmischer Strahlung auf das Klima und den Menschen. Aber auch nach 100 Jahren gibt es immer noch kein volles Verständnis der Quellen kos­mischer Strahlung. Supernovareste und Galaxien mit einem aktiven Kern sind die wahrscheinlichsten Kandidaten. Der größte Fortschritt kommt von der Messung der hoch­energetischen γ-Strahlung.

Die Experimente H.E.S.S., MAGIC und VERITAS haben in den vergangenen Jah­ren mehr als hundert γ-Quellen untersucht. Die beiden größten Detektoranlagen zum Nachweis hadronischer Beschleuniger sind das Pierre Auger-Observatorium zur Messung geladener kosmischer Teilchen mit Energien über 1020 Elektronenvolt und das IceCube-Experiment am Südpol, das auf die Messung von Neutrinos spezialisiert ist. Beide erwarten in den kommenden Jah­ren interessante Ergebnisse. Mit der Inbetriebnahme des Beschleunigers LHC am Forschungszentrum CERN gibt es wieder eine gemein­same Vision der Teilchen- und Astroteilchenphysik: das Bestreben, die mysteriöse Natur der Dunklen Materie zu klären.