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Woher kommt die energiereichste kosmische Strahlung?

Wuppertaler Astroteilchenphysiker unter Leitung von Prof. Dr. Klaus Helbing arbeiten im Rahmen der internationalen Forschungskooperation „IceCube“ am Nachweis von Elementarteilchen aus dem Weltall, den „Neutrinos“.

Woher kommt die energiereichste kosmische Strahlung?

Weltgrößtes Neutrino-Teleskop liefert überraschenden Befund

Wuppertaler Astroteilchenphysiker unter Leitung von Prof. Dr. Klaus Helbing arbeiten im Rahmen der internationalen Forschungskooperation „IceCube“ am Nachweis von Elementarteilchen aus dem Weltall, den „Neutrinos“. Jetzt wurden die ersten Schritte zur Klärung eines kosmischen Rätsels gemacht – und die Ergebnisse machen das Rätsel noch faszinierender. Dies berichten die Forscher in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Nature“, eine der weltweit angesehensten Zeitschriften für Naturwissenschaften.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Klaus Helbing (v.l.n.r.): Uwe Naumann, Dennis Soldin, Jonas Posselt (mit einem Prototypen der Lichtsensoren im Eis), Prof. Klaus Helbing, Ruth Hoffmann, Daniel Bindig, Anna Obertacke, Karl-Heinz Becker, Sandro Kopper und Dr. Timo Karg.

Die stärksten Teilchenbeschleuniger sind nicht auf der Erde, sondern im Weltall: Aus dem Kosmos prasseln subatomare Teilchen auf die Erdatmosphäre, die noch millionenfach höhere Energie haben als die im Large Hadron Collider (LHC), dem stärksten Teilchenbeschleuniger auf der Erde. Auf welche Weise diese kosmische Teilchenstrahlung so stark beschleunigt wird, ist noch weitgehend rätselhaft.

Mit dem weltgrößten Neutrino-Teleskop IceCube in der Antarktis haben Forscher eine der möglichen Arten kosmischer Super-Beschleuniger untersucht und festgestellt, dass sie möglicherweise doch nicht für die energiereichsten Teilchen verantwortlich sind. Damit wird eine der beiden führenden Hypothesen zum Ursprung der höchstenergetischen kosmischen Teilchen infrage gestellt, wie das internationale Forscherteam im britischen Fachjournal „Nature“ berichtet (Originalartikel).

Die vor hundert Jahren entdeckte kosmische Strahlung liefert einen beständigen Teilchenhagel aus dem All. Manche Wasserstoff-Atomkerne (Protonen) darin haben so viel Energie wie ein schnell geschlagener Tennisball – dabei ist der Durchmesser eines Tennisballs 40 Billionen Mal größer. „Wir wissen, dass es diese hochenergetische kosmische Strahlung gibt, aber wir wissen nicht, woher sie kommt“, so Prof. Klaus Helbing, langjähriges Mitglied der IceCube-Kollaboration. Die Teilchen der kosmischen Strahlung sind elektrisch geladen und werden auf ihrem Weg durchs All von Magnetfeldern abgelenkt. Daher lässt sich von der Richtung, aus der sie auf die Erde treffen, nicht mehr auf ihre Quelle schließen.

Dezember 2010: Fertigstellung des IceCube Detektors am Südpol.

Für die beteiligten Forscher gibt es im Grunde nur zwei Ideen, was die Quellen der höchstenergetischen Teilchen sind: Durch Gravitation angetriebene Teilchenbeschleunigung in der Nähe massereicher Schwarzer Löcher im Zentrum aktiver Galaxien oder im Verlauf einer Gammastrahlenexplosionen. „Diese Gamma Ray Bursts sind die gewaltigsten Explosionen, die wir im Kosmos kennen. Sie setzen eigentlich genug Energie frei, um die subatomaren Teilchen der kosmischen Strahlung auf die beobachteten Energien zu beschleunigen. Allerdings müssten mit den energiereichen Atomkernen auch Neutrinos entstehen. Diese geisterhaften Teilchen sind Verwandte des Elektrons, die durch fast alles ungehindert hindurch fliegen“, so Prof. Helbing.

Um sie nachzuweisen, setzen die Forscher riesige Detektoren ein. Das Neutrino-Teleskop IceCube benutzt das ewige Eis des Südpols als Teil des Detektors. Es späht mit mehr als 5000 einzelnen lichtempfindlichen Sensoren unter der Eisdecke in rund einem Kubikkilometer antarktischem Eis nach den extrem seltenen Wechselwirkungen eines Neutrinos. Mit IceCube – dem weltweit empfindlichsten Neutrino-Teleskop – hat das internationale Forscherteam rund 300 Gamma Ray Bursts aus den Jahren 2008 bis 2010 untersucht.

Wenn Gamma Ray Bursts die Quelle der höchstenergetischen kosmischen Teilchenstrahlung sind, sollten von den Ausbrüchen nicht nur Gammastrahlen, sondern auch Neutrinos auf direktem Weg die Erde erreichen. Doch IceCube fand in den zwei Jahren überraschenderweise kein einziges Neutrino, das zu einem der untersuchten rund 300 Ausbrüche passt. „Aus dieser Beobachtung ergeben sich zwei mögliche Erklärungen. Entweder ist unsere Vorstellung, dass Gamma Ray Bursts eine Hauptquelle der extrem energiereichen Kosmischen Strahlung sind, falsch, oder unsere Modellvorstellungen von den Vorgängen in einem Gamma Ray Burst müssen revidiert werden,“ so die Forscher.

„Obwohl wir nicht herausgefunden haben, woher die Kosmische Strahlung kommt, haben wir einen wichtigen Schritt zum Ausschluss einer der bevorzugten Vorhersagen erreicht", betont IceCube-Projektleiter Prof. Francis Halzen von der Universität Wisconsin. Mit der vollen Ausbaustufe und mit zunehmender Messdauer werde IceCube in den kommenden Jahren wichtige Informationen zur Klärung dieser Frage liefern.

2012: Meeting der IceCube-Forscher in Berkeley.

Rund 250 Physiker von rund 40 Forschungsinstituten aus zehn Ländern betreiben IceCube in einer Kooperation. Aus Deutschland sind neben der Bergischen Universität Wuppertal, das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY und die Universitäten Aachen, Berlin, Bochum, Bonn, Mainz, Dortmund und München beteiligt. Die Bergische Universität Wuppertal hat maßgeblich zu Aufbau und Inbetriebnahme von IceCube beigetragen. Außerdem haben Wuppertaler Forscher bereits in einem früheren Datensatz nach Gammastrahlenexplosionen gesucht und leiten nun die Suche nach Relikten des Urknalls und nach Signalen in IceCube von bisher gänzlich unbekannten Elementarteilchen.

Die Wuppertaler Beiträge werden durch die Verbundforschung des Bundesforschungsministeriums und die Helmholtz-Allianz für Astroteilchenphysik getragen.