ICECUBE
Kosmische Strahlung bleibt rätselhaft
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Deutschens Elektronen-Synchrotron (DESY)
astronews.com
19. April 2012

Die Erde ist einem ständigen Bombardement von energiereichen Teilchen aus dem All ausgesetzt. Wo diese allerdings so beschleunigt werden, dass sie weit energiereicher sind als die Teilchen in den stärksten irdischen Beschleunigern, wissen die Physiker bislang nicht. Beobachtungen mit einem Neutrino-Teleskop in der Antarktis haben nun gezeigt, dass ein Verdächtiger offenbar nicht infrage kommt: Gamma-ray Bursts.

Illustration der empfindlichen optischen Sensoren von IceCube, von denen mehr als 5.000 bis zu 2,5 Kilometer tief im ewigen Eis der Antarktis eingeschmolzen sind. Bild: IceCube / DESY / idw

 Die vor 100 Jahren entdeckte Kosmische Strahlung sorgt für einen beständigen Teilchenhagel aus dem All. Manche Wasserstoff-Atomkerne (Protonen) darin haben so viel Energie wie ein schnell geschlagener Tennisball - und dies, obwohl der Durchmesser eines Tennisballs 40 Billionen Mal größer ist. "Wir wissen, dass es diese hochenergetische Kosmische Strahlung gibt, aber wir wissen nicht, woher sie kommt", erklärt DESY-Forscher Prof. Alexander Kappes, der mit dem Neutrino-Teleskop IceCube in der Antarktis dem Ursprung der Kosmischen Strahlung auf der Spur ist.

Die Teilchen der Kosmischen Strahlung sind elektrisch geladen und werden auf ihrem Weg durchs All von zahlreichen Magnetfeldern abgelenkt. Daher lässt sich aus der Richtung, aus der sie die Erde treffen, nicht mehr auf ihre Quelle schließen. Aussichtsreiche Kandidaten für die Quellen der höchstenergetischen Teilchen sind supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum aktiver Galaxien und sogenannte Gamma-ray Bursts (GRB).

"Gamma-ray Bursts sind - nach dem Urknall - die gewaltigsten Explosionen, die wir im Kosmos kennen", so Kappes. Sie überstrahlen für einige Sekunden das gesamte restliche Universum im Bereich der Gammastrahlung. Man nimmt an, dass es sich bei langen Gamma-ray Bursts, die mehr als zwei Sekunden lang aufflackern, um den Kernkollaps eines massereichen Sterns in einer fernen Galaxie handelt, bei dem schließlich ein Schwarzes Loch entsteht.

Dieser Prozess würde genug Energie freisetzen, um die subatomaren Teilchen der Kosmischen Strahlung auf die beobachteten Energien zu beschleunigen. Allerdings sollten mit den energiereichen Atomkernen auch Neutrinos entstehen. Diese geisterhaften Elementarteilchen sind ultraleichte Cousins des Elektrons, die durch fast alles ungehindert hindurchfliegen. Um sie trotzdem nachzuweisen zu können, muss man riesige Detektoren einsetzen.

Das Neutrino-Teleskop IceCube benutzt das ewige Eis des Südpols als Teil des Detektors. IceCube späht unter der Eisdecke mit mehr als 5000 einzelnen optischen Sensoren, sogenannte Photomultiplier, in rund einem Kubikkilometer antarktischem Eis nach den extrem seltenen Zusammenstößen eines Neutrinos mit einem Atomkern. Mit diesem weltweit empfindlichsten Neutrino-Teleskop hat das internationale IceCube-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. Denn Neutrinos sind elektrisch neutral und werden daher nicht von Magnetfeldern abgelenkt. "Erstmals haben wir ein ausreichend empfindliches Instrument, das einen neuen Blick auf die Erzeugung der Kosmischen Strahlung und auf die inneren Prozesse von Gamma-ray Bursts eröffnet", unterstreicht IceCube-Sprecher Prof. Greg Sullivan von der Universität im US-Bundesstaat Maryland.

Doch IceCube fand in den zwei Jahren Beobachtungszeit überraschenderweise kein einziges Neutrino, das zu einem der untersuchten rund 300 Ausbrüche passt. "Aus der Beobachtung folgen zwei Möglichkeiten", urteilt Kappes. "Entweder ist unsere Vorstellung, dass Gamma-ray Bursts eine Hauptquelle der extrem energiereichen Kosmischen Strahlung sind, falsch. Oder unsere Rechenmodelle von den Vorgängen in einem Gamma-ray Burst beruhen auf falschen oder zu stark vereinfachten Annahmen." In jedem Fall müssen die gegenwärtigen Modelle zur Produktion von kosmischer Strahlung und Neutrinos in Gamma-ray Bursts überarbeitet werden.

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

IceCube ist ein Teleskop für energiereiche Neutrinos am geographischen Südpol. 5.160 Photomultiplier, die bis in 2,5 Kilometer Tiefe ins ewige Eis eingelassen sind, spähen nach den Signalen seltener Neutrino-Kollisionen im Eis. Die gesamte Anlage hat ein Volumen von einem Kubikkilometer. Das weltweit größte und empfindlichste Neutrinoteleskop wird von einer Kooperation von rund 250 Physikern aus den USA, Deutschland, Schweden, Belgien, der Schweiz, Japan, Kanada, Neuseeland, Australien und Barbados betrieben.