IceCube: Ursprung der kosmischen Strahlung bleibt rätselhaft

Zeuthen/Madison (USA) – Vor hundert Jahren wurde sie entdeckt, doch ihr Ursprung ist den Forschern immer noch ein Rätsel: die kosmische Strahlung, ein stetiger Strom hochenergetischer Teilchen, der die Erde aus dem Weltall trifft. Mit der Detektoranlage IceCube, die im antarktischen Eis installiert ist, hat ein internationales Forscherteam nun versucht, die Quellen der Teilchenstrahlung aufzuspüren. Ohne Erfolg, wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“ berichten. Bislang galten gewaltige Explosionen im All, sogenannte Gammastrahlungsausbrüche, als aussichtsreiche Kandidaten. Doch die neuen Ergebnisse zeigen, dass diese Explosionen vermutlich nicht als Produktionsstätte der kosmischen Strahlung infrage kommen.

Kugelförmige die mit Seilen an gebogenen Stangen befestigt sind.
Sensoren von IceCube

„Wir wissen, dass es diese hochenergetische kosmische Strahlung gibt, aber wir wissen nicht, woher sie stammt“, sagt der an dem Projekt beteiligte Physiker Alexander Kappes vom Standort Zeuthen des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY). Das Problem: Die kosmischen Teilchen sind elektrisch geladen und werden daher auf dem Weg zur Erde von Magnetfeldern abgelenkt – so verwischt sich ihre Spur und die Astronomen können aus der Richtung, aus der sie auf die Erde treffen, nicht auf ihren Ursprung schließen.

Die Energie der Teilchen – hauptsächlich Protonen – ist millionenfach höher als die Energien, die mit den stärksten Beschleunigeranlagen auf der Erde erzeugt werden können. Deshalb kommen nur außergewöhnlich energiereiche Prozesse im Kosmos als Produktionsstätten der Strahlung infrage. Hauptkandidaten sind supermassereiche Schwarze Löcher und Gammastrahlungsausbrüche, die gewaltigsten Explosionen im Universum. Kappes und seine Kollegen haben nach einem Zusammenhang zwischen Gammastrahlungsausbrüchen und der kosmischen Strahlung gesucht.

Diese Explosionen sollten nach den theoretischen Modellen der Astrophysiker nicht nur hochenergetische, elektrisch geladene Teilchen freisetzen, sondern auch Neutrinos. Da Neutrinos elektrisch neutral sind, breiten sie sich gradlinig aus und könnten, so die Hoffnung der Forscher, ihren Ursprung verraten. Für ihre Untersuchungen nutzten sie den Detektor IceCube, der aus 5160 speziellen Sensoren besteht, die bis zu 2,5 Kilometer tief in einem Kubikkilometer antarktischem Eis eingelassen sind. Mit diesen Sensoren hat das Team nach Neutrinos gesucht, die bei 300 Gammastrahlungsausbrüchen freigesetzt worden sind.

Doch während der zwei Jahre dauernden Messungen fanden Kappes und seine Kollegen zu ihrer Überraschung kein einziges Neutrino, das zu den Explosionen passt. „Entweder ist unsere Vorstellung falsch, dass Gammastrahlungsausbrüche eine Hauptquelle der extrem energiereichen kosmischen Strahlung sind“, so Kappes, „oder unsere Modelle von den Vorgängen bei diesen Explosionen basieren auf falschen oder zu stark vereinfachten Annahmen.“ Die Suche nach den Quellen der kosmischen Teilchen geht also weiter.

IceCube ist das weltweit größte und empfindlichste Neutrinoteleskop und wird von einer Kooperation von rund 250 Physikern aus den USA, Deutschland, Schweden, Belgien, der Schweiz, Japan, Kanada, Neuseeland, Australien und Barbados betrieben. Der Aufbau des Experiments, der 2010 abgeschlossen wurde, und die Auswertung der Daten in Deutschland wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Helmholtz-Allianz für Astroteilchenphysik (HAP) gefördert.