Freitag, 20. April 2012

Neutrino-Teleskop findet keine Hinweise auf Ursprung Kosmischer Strahlung

Ursprung weiterhin unbekannt: Künstlerischer Darstellung Kosmischer Strahlung. | Copyright: Credit: NSF/J. Yang

Hamburg/ Deutschland - Neben der Strahlung der Sonne ist die Erde ständig auch anderen subatomare hochenergetische Partikeln aus dem Weltall ausgesetzt. Bislang gingen Wissenschaftler davon aus, dass diese sogenannte Kosmische Strahlung aus dem Kollaps massereicher Sterne zu Schwarzen Löchern oder direkt aus supermassereichen Schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien hervorgeht. Mit einem Spezialteleskop, eingelassen in das Eis der Antarktis, haben Wissenschaftler versucht, diese Theorie zu bestätigen. Das nun veröffentlichte erstaunliche Ergebnis: Von den mit dem "IceCube"-Teleskop gesuchten Neutrinos, die von diesen Prozessen ebenfalls freigesetzt werden sollten, ließ sich nicht ein einziges Exemplar nachweisen. Diese Feststellung stellt nun die gängigen Theorien zum Ursprung der Kosmischen Strahlung (...wir berichteten, s. Links) infrage.

"Die stärksten Teilchenbeschleuniger finden sich nicht auf der Erde, sondern im Weltall", erläutert die Pressemitteilung des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY.de), einem Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft, das an "IceCube" beteiligt ist. "Aus dem Kosmos prasseln subatomare Teilchen auf die Erdatmosphäre, die noch millionenfach höhere Energie haben als jene im Large Hadron Collider (LHC), dem stärksten Teilchenbeschleuniger der Erde. Auf welche Weise diese sogenannte kosmische Teilchenstrahlung so stark beschleunigt wird, ist allerdings noch weitgehend rätselhaft."

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"Die vor hundert Jahren entdeckte Kosmische Strahlung bildet 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', betont DESY-Forscher Prof. Alexander Kappes. 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."

Illustration der empfindlichen optischen Sensoren (Photomultiplier) von "IceCube", von denen mehr als 5000 bis zu 2,5 Kilometer tief im ewigen Eis der Antarktis eingeschmolzen sind. | Copyright: NSF/J. Yang

Wie das internationale Forscherteam um Hauptautor Nathan Whitehorn von der University of Wisconsin Fachjournal "Nature" berichtet, stellten bislang supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum aktiver Galaxien und sogenannte Gammastrahlenausbrüche (Gamma Ray Bursts, GRB) die aussichtsreichsten Kandidaten für die Quellen der höchstenergetischen Teilchen dar. Bei Letzteren handelt es sich um die - nach dem Urknall - gewaltigsten Explosionen, die wir im Kosmos kennen und überstrahlen für einige Sekunden das gesamte restliche Universum im Bereich der Gammastrahlung. Wissenschaftler vermuten, 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, wobei ein Schwarzes Loch entsteht.

Dieser Prozess könnte genügend Energie freisetzen, um die subatomaren Teilchen der Kosmischen Strahlung auf die beobachteten Energien zu beschleunigen. "Allerdings sollten mit den energiereichen Atomkernen auch Neutrinos entstehen", so die Forscher. "Diese geisterhaften Elementarteilchen sind ultraleichte Cousins des Elektrons, die durch fast alles ungehindert hindurchfliegen." Um sie nachzuweisen, muss man riesige Detektoren einsetzen. Das weltweit empfindlichste Neutrino-Teleskop "IceCube" benutzt das ewige Eis der Antarktis als Teil des Detektors und späht so unter der Eisdecke mit mehr als 5000 einzelnen optischen Sensoren (Photomultipliern) in rund einem Kubikkilometer antarktischem Eis nach den extrem seltenen Zusammenstößen von Neutrinos mit Atomkernen.

Zwischen 2008 und 2010 wurden auf diese Weise mit "IceCube" rund 300 Gamma Ray Bursts untersucht. Wären Gamma Ray Bursts also die Quelle der höchstenergetischen kosmischen Teilchenstrahlung, dann 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 University of Maryland.


Künstlerische Illustration eines Gammastrahlenausbruchs. | Copyright: Dana Berry and NASA

In den zwei Jahren Untersuchungszeit konnte mit "IceCube" jedoch überraschenderweise kein einziges Neutrino gefunden werden, das zu einem der untersuchten rund 300 Ausbrüche passt. "Aus der Beobachtung folgen zwei Möglichkeiten", erläutert 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, so die Erkenntnis der Wissenschaftler, 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", unterstreicht 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.

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Quellen: grenzwissenschaft-aktuell.de / icecube.wisc.edu / desy.de
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