Zum Inhalt springen

Das nicht-thermische Universum – Kosmische Strahlung und hochenergetische Photonen

Weite Teile unseres Universums lassen sich durch thermische Prozesse beschreiben – wo ein klarer Zusammenhang zwischen einer Temperatur und der Energieverteilung der beteiligten Atome oder Teilchen herrscht. Die hinzugefügte Energie stammt zumeist aus Kernfusion und das abgestrahlte elektromagnetische Spektrum, sei es der kosmische Mikrowellenhintergrund, Röntgenstrahlung von Galaxienhaufen oder das Licht von Sonne und Sternen, wird meist gut durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben.

Im nicht-thermischen Teil des Universums sind wir weit ab von einem thermischen Gleichgewicht. Teilchen erlangen ihre teils immense Energie durch andere Prozesse, oft mit dem Resultat von Potenzspektren (dN/dE proportional zu E-k) über viele Größenordnungen der Teilchenenergie E. Neben elektromagnetischer Strahlung, bis weit in den Bereich der Gammastrahlung hinein, werden auch die beschleunigten oder erzeugten Teilchen selbst abgestrahlt, z.B. Atomkerne und Elektronen, aber auch Neutrinos. Die Energie dafür stammt vielfach aus einem Sternkollaps, aus der Rotationsenergie von Neutronensternen oder aus der Akkretion von Materie in ein Schwarzes Loch, um nur einige Beispiele zu nennen.

Zu den Boten dieses nicht-thermischen Universums zählen insbesondere die als "Kosmische Strahlung" bezeichneten, energiereichen Teilchen, welche die Erde erst nach einem Irrweg durch unsere Milchstraße und darüber hinaus erreichen. Dabei handelt es sich zumeist um Atomkerne (von Protonen angefangen bis zu den schwersten Kernen) und Elektronen, aber auch Antiprotonen und Positronen sind darunter zu finden. Die Orte der Teilchenbeschleunigung und die dort ablaufenden Prozesse können wir aber besser über die elektromagnetische Strahlung (also Photonen) studieren, bis hin zu extrem energiereicher Gammastrahlung, die uns unbehindert von galaktischen und intergalaktischen Magnetfeldern direkt erreicht. Auch Neutrinos kämen dazu infrage, sind aber ungleich schwerer nachzuweisen.

Neben der offensichtlichen, aber nach über 100 Jahren immer noch ungeklärten Frage nach der Herkunft der Kosmischen Strahlung und Untersuchungen zu Beschleunigungsmechanismen finden sich auch Aspekte der Teilchenphysik im Forschungsprogramm wie die Suche nach Annihilation von Dunkler Materie oder dem Nachweis anderer eher hypothetischen Teilchen. Einige Beispiele der aktuell untersuchten Fragestellungen sind auf den Seiten des H.E.S.S.-Experiments dargestellt.

Nachweis ausgedehnter Luftschauer

Für den "direkten" Nachweis der Teilchen ist ein Detektor über der Erdatmosphäre erforderlich – was aus Kostengründen bestenfalls bis zu etwa einem Quadratmeter Nachweisfläche machbar ist. Wenn dagegen die Atmosphäre Teil des Detektors gemacht wird, sind um viele Größenordnungen größere Nachweisflächen erreichbar. Voraussetzung ist, dass die Teilchen genügend Energie mitbringen um eine Kaskade neuer Teilchen zu erzeugen, sogenannte "ausgedehnte Luftschauer". Beispiele sind anhand von Computersimulationen rechts illustriert.

Für diese Schauer kommen eine Reihe von Messverfahren in Frage, die entweder die (meist nur wenigen) Teilchen messen, welche den Boden erreichen, oder von den Schauerteilchen emittiertes Tscherenkow-Licht oder angeregte Fluoreszenz der Stickstoffmoleküle oder aber die eher kohärent vom Teilchenschauer erzeugte Radiostrahlung.

Die höchste Empfindlichkeit bei niedriger Nachweisschwelle lässt sich mit stereoskopischen Systemen abbildender Tscherenkow-Teleskope wie z.B. H.E.S.S. erzielen.

Während die Teleskope nur nachts beobachten können und auf die beobachtete Region ausgerichtet werden müssen, können Detektoren für die Teilchen am Boden rund um die Uhr messen und dabei einen großen Teil des sichtbaren Himmels im Blick haben. HAWC ist ein herausragendes Beispiel eines solchen Instruments, wobei die einzelnen Zähler aus mit Photomultipliern bestückten Wassertanks bestehen.

Während H.E.S.S. und HAWC seit Jahren in Betrieb sind und viele Aufsehen erregende Ergebnisse aufzuweisen haben, bleibt die Entwicklung neuer Instrumente nicht stehen. Im Bereich der Tscherenkow-Teleskope ist die Planung und Entwicklung für CTA schon weit fortgeschritten, die Implementierung wird aber noch mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Bei CTA ist das MPIK besonders bei den Kamerasystemen FlashCam und CHEC involviert sowie bei Simulationsrechnungen. Während CTA von vorneherein mit je einem Standort auf Nord- und Südhalbkugel geplant ist, haben die Planungen für ein Gegenstück zu HAWC auf der südlichen Hemisphäre, dem Southern Wide field-of-view Gamma-ray Observatory SWGO, erst begonnen.

Astroteilchenphysik in Laboratorien

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit winziger Masse, von denen es drei Sorten gibt. Neben Photonen sind sie die häufigsten Teilchen im Universum, aber wir bemerken sie nicht, weil sie nur selten mit Materie wechselwirken. Ihr Nachweis erfordert empfindliche Detektoren mit bester Abschirmung gegen Störeinflüsse.

Beim Betazerfall, wenn ein Neutron in ein Proton und ein Elektron zerfällt, wird auch ein Antineutrino frei und es entsteht ein anderes Element. Manche Atomkerne, darunter das Germanium-Isotop 76Ge, zeigen statt des einfachen den doppelten Betazerfall: es zerfallen zwei Neutronen gleichzeitig, mit zwei oder keinem Neutrino. Das GERDA-Experiment sucht nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall in reinen, stark mit 76Ge angereicherten Germaniumkristallen. Sollte er möglich sein, ist der neutrinolose Doppelbetazerfall extrem selten. Bisher fand man keinen Hinweis auf den Zerfall – nur dass dessen Halbwertszeit in 76Ge mindestens 1026 Jahre beträgt. Mit mehr Germanium und längerer Messzeit hofft man, ihn doch noch zu finden – mit LEGEND, dem Nachfolgeprojekt.