LOFAR
Radioblitze der kosmischen Strahlung
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
4. März 2016

Woher stammt die sogenannte kosmische Strahlung, also Partikel, die mit hoher Geschwindigkeit aus den Weiten des Alls auf die Erdatmosphäre treffen? Bislang hatte man immer extragalaktische Quellen im Verdacht, doch die Zusammenarbeit von Radioastronomen und Teilchenphysikern führte jetzt zu der Erkenntnis, dass die Quellen auch innerhalb unserer Milchstraße liegen könnten.

Luftschauer nach Simulationen mit dem CORSIKA-Programm, dargestellt auf einem Foto der Zentralstation("Superterp") des Radioteleskop-Netzwerks LOFAR in der Nähre von Exloo in den Niederlanden. Bild: ASTRON / KIT / Radboud [Großansicht]

Das Niederfrequenz-Radioteleskopnetzwerk LOFAR empfängt normalerweise Radiowellen aus dem entfernten Universum. Gelegentlich fängt es aber auch starke Radiopulse von extrem kurzer Dauer ein, irgendwo zwischen Kurzwelle und UKW. Im Autoradio sind solche Signale als kurzes Knacken hörbar. Sie werden durch Elementarteilchen verursacht, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf die Erdatmosphäre auftreffen.

Diese Partikel wurden vor Millionen von Jahren in großer Entfernung von einem "kosmischen Teilchenbeschleuniger" ins All geschossen. Einem internationalen Team von Astronomen unter Beteiligung von Forschern des German Long Wavelength Consortium (GLOW) ist es nun gelungen, die Radiobotschaft dieser kosmischen Eindringlinge zu entschlüsseln, und dadurch Erkenntnisse über ihre Herkunft und physikalische Natur zu gewinnen.

Supernova-Explosionen, sterbende Sterne, Schwarze Löcher - alle diese Phänomene wurden bereits als Quellen zur Erklärung der kosmischen Teilchenstrahlung herangezogen. Aber tatsächlich kennt bisher noch keiner eindeutig den Ursprung dieser Strahlung. Teilchen der kosmischen Strahlung sind Elementarteilchen, deren Energie bis zu einer Million mal größer ist als in den leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern auf der Erde.

Sie treffen als Geschosse mit fast Lichtgeschwindigkeit auf die Erdatmosphäre und zerfallen dadurch in eine Kaskade von Sekundärteilchen. Ihre Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Erde führt dabei zu einem extrem kurzen Radiosignal von weniger als einer Milliardstel Sekunde Dauer. Tausende einzelner Dipolantennen des LOFAR-Teleskopnetzwerks tragen dazu bei, dieses Signal aufzuspüren und genau zu vermessen.

Doch das Entdecken eines Signals bedeutet noch nicht, dass man auch seine Ursache kennt. Zum ersten Mal haben es Astronomen aber jetzt geschafft, genau zu berechnen und zu modellieren, welche Art kosmischer Teilchen für das gemessene Radiosignal verantwortlich war. "Wir können das Geschoss jetzt identifizieren", sagt Heino Falcke von der Radboud-Universität in Nijmegen in den Niederlande, der Vorsitzende des Ausschusses für das Internationale LOFAR-Teleskop. "In den meisten Fällen scheint es sich dabei um ein einzelnes Proton oder den leichten Kern eines Heliumatoms zu handeln."

"Wegen der enormen Energie glauben die meisten Forscher bis jetzt, dass die Teilchen der kosmischen Strahlung aus großen Entfernungen im Universum stammen, zum Beispiel von Schwarzen Löchern in anderen Galaxien", ergänzt Stijn Buitink von der Freien Universität Brüssel. "Aber wir finden jetzt, dass sie einen viel näheren Ursprung haben und ihre Energie von einem kosmischen Beschleuniger in unserer Milchstraße herrührt – zum Beispiel von einem sehr massereichen Stern."

"Die Quellen kosmischer Teilchenstrahlung sind kosmische Beschleuniger, die bis zu einer Million mal stärker sind als der Large Hadron Collider in Genf oder irgendein anderer irdischer Beschleuniger, den Menschen in der Lage sind zu bauen",  so Falcke. "Wir können jetzt sozusagen Hochenergiephysik mit einfachen UKW-Radios durchführen." Das eröffnet ein neues Fenster zum Hochenergie-Universum und sehr präzisen Messungen von kosmischen Teilchen.

"Der Hauptunterschied zu gewöhnlichen UKW-Radios liegt in der Digitalelektronik und in den breitbandigen Empfängern, mit denen es möglich wird, eine große Zahl unterschiedlicher Frequenzen gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit aufzuzeichnen", erklärt Andreas Horneffer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der die Antennen des Vorläuferprojekts LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) für das aktuelle Experiment, als Teil seiner Doktorarbeit aufgebaut hat.

Die Identifikation der eintreffenden Teilchen aus den Radiobeobachtungen beruht auf exakter Kenntnis der Radioemissionsphysik. Die LOFAR-Daten werden mit Simulationen im CoREAS-Code verglichen, der von Tim Huege und seinen Kollegen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Rahmen des CORSIKA-Luftschauer-Simulationsprogramms entwickelt wurde. "Als wir mit den Simulationen der Radiosignale vor zehn Jahren begonnen hatten und die Signale mit Daten unseres LOPES-Experiments verglichen, war die Physik der Radioemission für uns noch ein großes Rätsel. Heute können wir mit den Simulationen die hochwertigen LOFAR-Resultate sehr detailliert wiedergeben und haben dadurch sehr viel Vertrauen in die Interpretation der Messungen", so Huege.

Der Nachweis kosmischer Teilchenstrahlung mit LOFAR eröffnet einen Zugang zu Präzisionsmessungen, die dazu beitragen, die Ursprungsquellen dieser höchstenergetischen Partikel zu enträtseln. Vom Square Kilometre Array Radioteleskop-Netzwerk mit seiner sehr hohen Dichte von Einzelantennen ist schließlich das volle Potential dieser Methode zum Nachweis kosmischer Partikelstrahlung zu erwarten, und zwar noch mit wesentlich höherer Messgenauigkeit als zur Zeit mit LOFAR. "Es ist schon eine bemerkenswerte Erfahrung, dass Teilchenphysiker und Radioastronomen zusammenarbeiten, um ein solch erfolgreiches Experiment im aufsteigenden Forschungsfeld der Astroteilchenphysik durchzuführen", schließt Ralf-Jürgen Dettmar von der Ruhr-Universität Bochum, der Sprecher des deutschen GLOW-Konsortiums.

Über ihre Beobachtungen des sich wiederholenden FRBs berichteten die Astronomen in dieser Woche in der Zeitschrift Nature.