Astronomie : Galaktisches Energiebündel

Seit langem rätseln Astronomen über extrem energiereiche Teilchen, die aus dem Weltall kommend auf die Erdatmosphäre treffen. Was ist die Quelle ihrer riesigen Energie?

Roland Knauer

Die Antwort könnte das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien geben. In der Pampa Amarilla, 1000 Kilometer westlich von Buenos Aires, entsteht das derzeit größte Messfeld der Welt zur Untersuchung der kosmischen Strahlung.

Beobachtungen zeigen, dass die Teilchen meist aus Himmelsgegenden kommen, in denen sich aktive Galaxienkerne befinden, wie Johannes Blümer, Physiker am Forschungszentrum und der Universität Karlsruhe, erklärt. Im Zentrum einer weit entfernten Milchstraße liegend ist ein solcher Kern in der Lage, mehr als 100 Millionen Sonnen zu schlucken.

Diese riesige Masse wird auf so kleinem Raum zusammengepresst, dass selbst Licht keine Chance hat zu entkommen. Eigentlich müsste der Koloss von außen wie ein Schwarzes Loch wirken, weil kein Funkeln und Glimmen aus ihm herauskommen kann. Sämtliche Materie in der Umgebung wird angesaugt. Ein winziger Teil der Masse landet aber nicht im Zentrum, sondern gelangt zu den Polen des Schwarzen Lochs und kollidiert dort mit anderen Teilchen. Dabei entsteht eine extreme Druckwelle, die Gas in einem engen Bündel ins All jagt. Ein Teilchen in diesem Jetstrahl besitzt eine Energie von Zehn hoch 20 Elektronenvolt. Um solche Teilchen auf der Erde zu erzeugen, benötigte man einen Teilchenbeschleuniger, der so groß wie die Umlaufbahn des Planeten Merkur um die Sonne wäre.

Die energiereichen Teilchen haben nahezu Lichtgeschwindigkeit und können in acht oder zehn Kilometern Höhe über der Erde auf die ersten Moleküle der Atmosphäre treffen. Dann entsteht ein regelrechter „Teilchenzoo“ aus Elektronen, Positronen, Myonen oder Pionen. Die Energie des kosmischen Teilchens reicht nun für Milliarden von Zusammenstößen aus. Aus den Trümmern all dieser Kollisionen entsteht eine Teilchenwolke, die einige Meter dick und mehrere Quadratkilometer groß sein kann.

Um die Teilchen nachzuweisen und ihren Herkunftsort aufzuspüren, benötigt man ein möglichst großes Nachweisgerät. 54 Forschungseinrichtungen aus fünfzehn Nationen haben sich zusammengeschlossen, um das Projekt zu verwirklichen. Mit von der Partie sind die Universitäten Aachen, Karlsruhe, Siegen und Wuppertal sowie das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und das Forschungszentrum Karlsruhe.

Errichtet wird das Observatorium auf einer dreitausend Quadratkilometer großen Fläche. Die Pampa zu Füßen der Anden ist flach, Straßen oder Bäume gibt es kaum. Da die Gegend relativ tief liegt, kann sich in der Luftschicht darüber ein schöne Teilchenwolke bilden.

Das Observatorium macht einen eher schlichten Eindruck. Jeder der 1600 Behälter mit einem Durchmesser von 3,40 Metern und einer Höhe von 1,20 Metern fasst zwölftausend Liter Wasser. Sie verteilen sich über eine Ebene, die ein wenig größer als das Saarland ist. Die Behälter sind mit hochreinem Wasser gefüllt, das so gut wie keine Salze, organische Verbindungen, Sauerstoff, Schwebstoffe oder Bakterien enthält. Trifft nun eine Kollisionswolke in der Pampa Amarilla auf die Erde, werden einige der entstandenen Teilchen auch ungebremst in einem der Behälter landen. Die Teilchen sind schneller als das Licht, das sich in Wasser langsamer ausbreitet als in Luft.

Es entsteht eine Art optischer Überschallknall, das Tscherenkow-Licht. Dabei verrät eine bläuliche Leuchtspur ein einfallendes Teilchen. Anhand der Tscherenkow-Strahlen lässt sich der Ausgangspunkt des Teilchenregens feststellen. So kann man auf die Himmelsregion schließen, aus der das ursprüngliche energiereiche Teilchen gekommen sein muss.

Der Teilchenschauer erzeugt aber auch in der Atmosphäre eine Leuchtspur. Diese beobachten die Wissenschaftler mit 24 Fluoreszenzdetektoren, die ebenfalls über die Pampa Amarilla verteilt sind. Das klappt aber nur in klaren Vollmondnächten, denn die Stärke der Signale entspricht nur einer Zwanzig-Watt-Lampe in zehn Kilometer Entfernung. Auch diese Detektoren weisen auf die Region im All hin, aus der die energiereichen Teilchen gekommen sein müssen. Bei den meisten der bisher registrierten Teilchen befindet sich dort ein aktiver Galaxienkern.

Allerdings müssen die Teilchen nicht aus dem Zentrum des Galaxienkerns stammen, sagt der Karlsruher Physiker Blümer. Sie könnten auch aus dessen weiterer Umgebung kommen. Um genau herauszubekommen, was es mit diesen bizarren Teilchen auf sich hat, muss das Pierre-Auger-Observatorium wohl einige Jahre beobachten. Und das möglichst nicht nur in Argentinien, sondern auch auf der Nordhalbkugel der Erde, von der andere Teile des Himmels beobachtet werden können.

Erste Planungen zeigen im US-Bundesstaat Colorado ein Gelände, auf dem ein Nord-Auger-Observatorium gebaut werden könnte. Es soll mit 25000 Quadratkilometern fast die Fläche des Bundeslandes Brandenburg einnehmen und mit 4000 bis 6000 Wassertanks bestückt werden. Der Aufwand dürfte sich lohnen. „Schon mit dem Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien stoßen wir die Tür für einen völlig neuen Teil der Astrophysik auf“, sagt Bünger, der auch Sprecher für Astroteilchenphysik in der Helmholtz-Gemeinschaft ist.

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