11/04/2011 - Das Geheimnis der kosmischen Strahlen, die die Erde treffen, wird gelöst

Menéame

Die energetischen Teilchen, die von den Physikern jemals untersucht wurden, wurden nicht in den großen Teilchenbeschleunigern des Menschen, sondern in den Sternwarten entdeckt. Die so genannten ultranergetischen kosmischen Strahlen schlagen die Erde über unsere eigene Galaxie hinaus, und ihre Energie ist so groß, dass es noch keine Theorie gibt, um zu erklären, welches Phänomen sie erzeugen kann. Aber die Daten der größten Sternwarte der Welt, die sie entdeckt, deuten jetzt darauf hin, dass "die wahrscheinlichste Hypothese ist, dass sie aus den riesigen schwarzen Löchern in der Galaxiemitte stammen," erklärte der Nobelpreisträger James E. Cronin, Berichterstatter für den von der BBVA-Stiftung in Madrid veranstalteten Zyklus über Astrophysik und Kosmologie.

Das Rätsel des Ursprungs kosmischer Strahlen gehört zu den dringendsten der heutigen Physik. Cronin, einer der führenden internationalen Experten in diesem Bereich, Schüler von legendären Physikern wie den Nobelpreisträger Enrico Fermi und Edward Teller, glaubt, dass die Erklärung nahe sein könnte.

Das Rätsel der hochenergetischen kosmischen Strahlen nahm vor zwei Jahrzehnten Körper an. Anfang der 90er Jahre haben mehrere kosmische Strahlendetektoren die Entstehung von Partikeln festgestellt, die viel energetischer waren, als die Theorien über bekannte astrophysikalische Phänomene erklären konnten. Die Physiker beschreiben den unerwarteten Fund wie man Schmetterlinge jagt und sich mit einem Flugzeug im Netz trifft. Sie waren Partikel mit hunderten von Millionen mal mehr Energie als erreichbar in einem Gaspedal wie dem LHC (Large Hadron Collider), CERN, in der Nähe von Genf.

"Wir brauchen einen größeren Teilchenbeschleuniger als unsere eigene Galaxie, um Energiepartikel zu erzeugen," erklärte Cronin. "Um die kosmischen Strahlen mit sehr hoher Energie zu untersuchen, sind wir in den Händen der Natur, wir können nur Daten sammeln."

Was kann sie so beschleunigen? "Es ist aufregend zu wissen, dass es da draußen etwas gibt, das diese Energien erzeugen kann," sagt Cronin.

Cronin schlug 1992 gemeinsam mit seinem Kollegen Alan Watson den Bau einer großen Anlage vor, die dabei helfen würde, das Geheimnis zu lösen. Seine Idee hat sich in der weltweit größten Falle kosmischer Strahlen niedergeschlagen: das Pierre-Auger-Observatorium, an dem etwa 500 Wissenschaftler aus 95 Institutionen aus 18 Ländern, darunter Spanien, beteiligt sind.

Vier Strahlen in vier Jahren

Der Pierre Auger ist seit vier Jahren in Malargüe in Argentinien in Betrieb. "Es funktioniert wunderbar, die Daten sind von außergewöhnlicher Qualität," sagte Cronin. Doch die kosmischen Strahlen mit sehr hoher Energie sind so selten, dass sie nur einen Kilometer pro Quadratkilometer und Jahrhundert auf die Erde gelangen. Deshalb "haben wir in all dieser Zeit nur vier der hochenergetischen Teilchen entdeckt." Um das Geheimnis ihrer Herkunft zu lösen, brauchen wir mehr Daten.

Gerade weil sehr energiereiche kosmische Strahlen sehr selten sind, ist das Pierre-Auger-Observatorium immens: Je größer die Falle, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass es funktioniert. Der Pierre Auger erstreckt sich über 3.000 km2 mitten in Pampa Amarilla. Es besteht aus 1.600 Detektoren - die reine Wassertanks sind -, die sich 1,5 Kilometer voneinander trennen. Sie werden durch 24 UV-empfindliche Teleskope ergänzt.

Die Ausdehnung ist so viel, weil das, was tatsächlich erkannt wird, nicht die kosmischen Strahlen selbst sind, sondern der Wasserfall von Sekundärteilchen, der ihre Auswirkungen auf die Atmosphäre erzeugt. Kosmische Strahlen überqueren das Universum fast mit Lichtgeschwindigkeit und durch den Zusammenstoß mit der Erde lösen in der Atmosphäre einen Regen von Millionen von Teilchen mit weniger Energie aus. Die Front dieses Partikel-Wasserfalls wird 16 Quadratkilometer.

Jedes Mal, wenn ein Teilchen in einen Detektor eindringt, sendet ein Computer ein Signal über Funk an ein Datenzentrum, das die Informationen der anderen integriert. Darüber hinaus erkennen Teleskope das UV-Licht, das durch den Partikel-Wasserfall in der Atmosphäre erzeugt wird - wie ein Stern, der nur zu schnell ist, um vom menschlichen Auge gesehen zu werden.

Schwarze Löcher

Das Pierre Auger Observatorium hat bereits ein wichtiges Ergebnis über den Ursprung ultraenergetischer kosmischer Strahlen geliefert: Die riesigen schwarzen Löcher, die den Kern aktiver Galaxien besetzen, wären wahrscheinlich eine Quelle.

Die Daten zeigen eine Korrelation zwischen der Richtung, aus der die entdeckten kosmischen Strahlen stammen, und der Lokalisierung von Galaxien mit großen schwarzen Löchern in ihren Kernen. Cronin betont jedoch, dass diese Hypothese noch durch weitere Bemerkungen bestätigt werden muss.

Außerdem haben die Astrophysiker noch keine gute Theorie, um den Mechanismus der Teilchenbeschleunigung in schwarzen Löchern genau zu erklären. Die allgemeine Idee ist, dass, wenn diese kosmischen Senken von Milliarden von Sonnenkörpern Materie verschlingen, in ihrer Nähe ein Strahl von Material ausstrahlt, das sich bei fast der Lichtgeschwindigkeit bewegt; ein Teilchen in der Umgebung, das mit diesen Strahlen interagiert, könnte zu einem kosmischen Superray werden.

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