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Durchblick im kosmischen Nebel

Siegener ForscherInnen beteiligen sich am Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien. Es ist das größte jemals gebaute Observatorium für kosmische Strahlung. Dort ist der Nachweis gelungen, dass diese Strahlung von außerhalb unserer Galaxis kommt.

„Das ist so, als ob wir 50 Jahre in dichtem Nebel gestanden hätten – und jetzt fängt der Nebel zum ersten Mal an, sich zu lichten“, sagt Prof. Dr. Markus Risse von der Universität Siegen. Er ist einer der am Pierre-Auger-Observatorium beteiligten Wissenschaftler. Die ForscherInnen untersuchen kosmische Strahlung, die eine sehr hohe Energie hat, wie Risse erklärt: „Die Energie der Teilchen ist teilweise über eine Million mal höher als die Energie, die wir mit dem Beschleuniger am CERN erreichen können. Das sind Weltrekord-Energien.“ Bisher war unklar, woher diese kosmische Strahlung kommt – aus unserer eigenen Galaxis, der Milchstraße, oder von außerhalb. „Wir können jetzt mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass die Strahlung aus weiter entfernten Regionen des Universums kommt“, so Risse. Woher genau, das wollen die WissenschaftlerInnen in Zukunft herausfinden.

Die Erforschung dieser hochenergetischen Strahlung ist sehr aufwendig. Prof. Risse erklärt, warum: „Je höher die Energie der Teilchen ist, desto seltener kommen sie auf die Erde. Wir können sie daher nicht mehr direkt messen, sondern nur indirekt.“ Dringt eines dieser Teilchen in unsere Atmosphäre ein, kollidiert es mit anderen und es entstehen neue Teilchen. Diese kollidieren wiederum mit anderen und wieder und wieder, so dass sich daraus ein ganzer Schauer entwickelt. „Der fliegt im Prinzip wie ein Pfannkuchen mit Lichtgeschwindigkeit Richtung Boden“, vergleicht Prof. Dr. Markus Risse. Ein Schauer erstreckt sich auf mehrere Quadratkilometer und man benötigt für die Messung eine große Fläche.

Seit 2001 ist diese Fläche in Argentinien erschlossen worden. Nach und nach sind dort 1.600 Wassertanks aufgebaut worden, auf insgesamt 3.000 Quadratkilometern, das ist größer als das Saarland. Mit den Tanks können die Teilchen sichtbar gemacht werden, denn wenn sie sich durch Wasser bewegen, senden sie das sogenannte Cherenkov-Licht aus. „Das liegt daran, dass die Teilchen im Wasser schneller sind als Licht“, erklärt Prof. Risse, „das ist dann in etwa vergleichbar mit dem Knall, der beim Überschall-Flug entsteht.“

Risse ist Professor im Department für Physik der Universität Siegen. Zusammen mit seinem Kollegen Prof. Dr. Peter Buchholz und knapp 20 Mitarbeitern ist er an der Pierre-Auger-Kollaboration beteiligt. Insgesamt beschäftigen sich rund 400 Wissenschaftler aus 18 Ländern mit der kosmischen Strahlung. Aus Siegen kommen zum Beispiel Beiträge zur Elektronik, die dafür sorgt, dass die gemessenen Daten aus den Wassertanks verarbeitet und weitergeleitet werden. Außerdem beteiligen sich die Siegener WissenschafterInnen daran, die Ergebnisse zu interpretieren, erläutert Risse: „Uns interessiert vor allem, welche Teilchentypen in der Strahlung sind: Es gibt zum Beispiel Wasserstoffkerne und Eisenkerne“. Bei der Interpretation können auch Computersimulationen helfen, die Luftschauer vorhersagen und anschließend mit den tatsächlich gemessenen Ergebnissen verglichen werden.

Das aktuelle Ergebnis der Kollaboration, das in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht wurde, ist ein Beitrag zur Erforschung und zum besseren Verständnis des Universums. Die hochenergetische kosmische Strahlung ist seit rund 50 Jahren bekannt, aber die genaue Quelle dafür ist nach wie vor ungewiss. Deshalb sollen jetzt Teilchen mit noch höheren Energien präzise gemessen werden, um mehr über sie zu erfahren. „Bis 2020 werden die Wassertanks in Argentinien mit neuen Geräten ausgestattet, die eine bessere Messung ermöglichen“, erzählt Prof. Dr. Markus Risse, „bis 2025 werden wir auf jeden Fall weiter messen.“ Bestenfalls finden die ForscherInnen heraus, woher genau die Teilchen kommen und wie es der Natur gelingt, sie mit so hoher Energie durch das Universum zu schicken.

Auger_web

Künstlerische Darstellung eines Luftschauers, der einen Wasser-Cherenkov-Detektor des Pierre-Auger-Observatoriums trifft.