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Astrophysik

Fenster zum Universum

Soviel Bewegung wie derzeit war in der Astrophysik noch nie: Dank modernster Technologie und neuer Rechenmodelle dringen die Wissenschaftler weiter ins Universum vor als jemals zuvor – und das mit ungeahnter Präzision. Einblicke in ein hochkomplexes Forschungsgebiet voller Aufbruchstimmung.

Offiziell misst der Cerro Armazones, ein Berg in den chilenischen Anden, 3064 Meter. Seit Juni 2014 ist er aber um ein paar Meter niedriger geworden. Der Grund: Mit zahlreichen Sprengungen wurde der Gipfel eingeebnet, um Platz für das künftig größte Teleskop der Erde zu schaffen, das European Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte. Das eine Milliarde Euro teure Riesenauge wird einen Hauptspiegel mit 39 Metern Durchmesser erhalten. Da sich ein solcher Reflektor nicht am Stück fertigen lässt, wird er aus fast 800 sechseckigen Elementen zusammengesetzt. Wenn das Teleskop 2024 in Betrieb geht, wird dessen Spiegel hundert Millionen Mal mehr Licht sammeln als das menschliche Auge und Bilder mit bislang unvorstellbarer Detailschärfe liefern.

Ein ähnlich gewaltiges Projekt befindet sich derzeit ganz in der Nähe im Bau: Auf das Chrenkov Telescope Array (CTA) setzen die Wissenschaftler die größten Hoffnungen; mehr als hundert Teleskope unterschiedlicher Größe umfasst es, mit deren Hilfe sich Gammastrahlung beobachten lässt – eine Methode, die präzise Rückschlüsse auf die Vorgänge im Universum zulässt. Das CTA wird an zwei Standorten aufgebaut, in Chile und auf La Palma. „Mit diesen neuartigen Anlagen kommen jahrzehntelange Forschungsarbeiten zum Abschluss“, erklärt David Paneque, der am Max-Planck-Institut für Physik in München für die wissenschaftliche Koordination des Hochenergie- Gammastrahlenobservatoriums MAGIC verantwortlich ist. „Es ist aber auch ein wenig Zufall, dass gerade jetzt die technischen Anforderungen erreicht werden.“

Der früheste Zugang zum Universum

Um die Tragweite der aktuellen Fortschritte zu ermessen, ist ein Blick in die Vergangenheit der Astrophysik unumgänglich – eine Vergangenheit, die im Jahr 1609 beginnt. Damals wurde das sichtbare Licht dank Galileis ersten Fernrohrbeobachtungen zum Zugang zum Universum – zum einzigen Zugang. Optische Teleskope haben bis heute immer wieder zu sensationellen Entdeckungen geführt. Eines der markantesten Beispiele sind extrasolare Planeten, die nicht wie die Erde um unsere Sonne kreisen, sondern um entfernte Sterne. Ihre Entdeckung im Jahr 1995 hat in der Astrophysik für Aufbruchstimmung gesorgt. Heute kennen die Forscher rund 3000 Exoplaneten.

Mit dem Weltraumteleskop Kepler haben Forscher weitere 2500 gefunden, die aber noch bestätigt werden müssen. Das nächste große Ziel besteht darin, vorwiegend im Bereich des sichtbaren Lichts Atmosphären zu studieren und in ihnen nach Molekülarten zu suchen, die auf Leben hinweisen.

Der Bereich des sichtbaren Lichts stellt nur einen winzigen Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums dar. Kosmische Ereignisse erzeugen Licht mit Wellenlängen weit außerhalb dieses Bereichs. Seit dem Ende des Zweiten Weltkrieges haben die Forscher sukzessiv einen Bereich nach dem anderen erobert. Das gesamte nutzbare Spektrum reicht von Wellenlängen um hundert Femtometer (10-13 Meter) bis hin zu zehn Metern. Dieser Bereich hat gewaltige Ausmaße: Setzt man ihn gleich mit dem Abstand von der Erde zum Mond, dann nähme der winzige Ausschnitt, den das menschliche Auge wahrnimmt, etwa die Breite eines menschlichen Haares ein.

Große Entdeckungen durch neue Wellenlängen

Jeder Wellenlängenbereich lässt das Universum auch im übertragenen Sinne des Wortes in einem anderen Licht erscheinen. Und jedes neue Wellenlängenfenster, das die Astronomen in der Vergangenheit öffneten, führte zu unvorhergesehenen Entdeckungen.

Im Bereich der Radiowellen stießen Astronomen in den 1960er Jahren auf Pulsare. Das sind extrem schnell rotierende Neutronensterne, rund 20 Kilometer große Überreste explodierter Sterne, sogenannter Supernovae. In ihnen ist die Materie so stark komprimiert, dass ein Teelöffel davon auf der Erde so viel wöge wie eine Million Fernverkehrszüge. Diese Pulsare besitzen ein extrem starkes Magnetfeld, entlang dessen Achse Teilchen beschleunigt werden, die Radiowellen, Licht und andere elektromagnetische Wellen aussenden. Wenn die Rotations- und die Magnetfeldachse zueinander geneigt sind, streifen diese Strahlen wie zwei Scheinwerfer eines Leuchtturms durch das All. Treffen sie dabei auf die Erde, so registrieren Astronomen ein blinkendes oder pulsierendes Signal. Das weltweit größte Radioteleskop steht in China. Die jüngst eröffnete Riesenschüssel hat einen Durchmesser von einem halben Kilometer und hat bereits in der Testphase einen mehr als 1300 Lichtjahre entfernten Pulsar entdeckt. 

Auch der Infrarotbereich eröffnete völlig neue Beobachtungsmöglichkeiten. So können diese Wellen dichte Staubwolken durchdringen, die dem bloßen Auge als Schwarz erscheinen. Dadurch lässt sich das Innere von Staubwolken studieren, wo neue Sterne und Planeten entstehen. Im Röntgenbereich wiederum offenbaren sich die energiereichsten kosmischen Objekte, weil diese Form der elektromagnetischen Strahlung bei sehr hohen Temperaturen entsteht. Beispiele sind Gaswolken explodierter Sterne oder die nahe Umgebung Schwarzer Löcher. Bei noch kürzeren Wellenlängen im Gammabereich lässt sich beobachten, wie Sterne das Universum mit Materie anreichern. Sehr große Sterne produzieren am Ende ihres Lebens schwere Elemente, die auch radioaktiv sein können. Bei ihrem Zerfall wird charakteristische Gammastrahlung frei. Auch Strahlung, die bei der gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie frei wird, ließ sich beobachten.

Gammastrahlen als neuer Hoffnungsträger

In den vergangenen zehn Jahren haben Astronomen gänzlich neue Beobachtungsmöglichkeiten geschaffen – mit teils spektakulären Ergebnissen. So hatten Forscher schon seit Anfang der 1980er Jahre Hinweise auf Himmelskörper, die Gammastrahlung mit Energien aussenden, welche die des Lichts um das Billiardenfache übertreffen. Wenn die Gammastrahlung in die Atmosphäre gelangt, stößt sie dort mit Atomen zusammen, so dass diese zerspringen. Die atomaren Trümmer rasen weiter in Richtung Erdboden, treffen dabei auf weitere Atome, die ebenfalls platzen. Es entsteht eine Teilchenlawine in der Hochatmosphäre, die einen schwachen, nur wenige Milliardstel Sekunden dauernden Lichtblitz erzeugt. Diese sogenannte Tscherenkow-Strahlung lässt sich mit großen Teleskopen am Boden beobachten. Die Hochenergie-Gammaastronomie verwendet also die Atmosphäre wie einen riesigen Leuchtschirm.

Was die Forscher mit H.E.S.S. und MAGIC beobachten, nennen sie die „stärksten Teilchenbeschleuniger im Universum“

Die derzeit größten Observatorien für diese Forschung sind H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) in Namibia und MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescopes) auf La Palma. Die beiden Anlagen entstanden unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg beziehungsweise des Max-Planck-Instituts für Physik in München. An beiden Observatorien sind Physiker des Deutschen Elektronen-Synchrotons (DESY) aus Zeuthen beteiligt, einem Forschungszentrum der Helmholtz- Gemeinschaft.

Was die Forscher mit H.E.S.S. und MAGIC beobachten, nennen sie die „stärksten Teilchenbeschleuniger im Universum“. Die erzeugen auf unterschiedliche Art starke Magnetfelder, in denen elektrisch geladene Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Wenn sie mit anderen Teilchen kollidieren, entsteht Gammastrahlung. Diese wird nicht von Magnetfeldern beeinflusst und breitet sich ungehindert im All aus. Jüngst gelang es der H.E.S.S.-Kollaboration erstmals, energiereiche Gammastrahlung aus dem Zentrum der Milchstraße nachzuweisen. Dort befindet sich ein gewaltiges Schwarzes Loch. Die Strahlung entsteht nach heutigen Modellen dadurch, dass Protonen in der Umgebung des Schwarzen Lochs auf Energien beschleunigt werden, die mehrere hundert Mal höher sind als in dem größten irdischen Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf. Wenn die Protonen zufällig mit einem Atom zusammenstoßen, wird die beobachtete Gammastrahlung frei. Zusammen mit Beobachtungen vor allem im Infrarot- und Radiobereich fließen diese Ergebnisse in ein physikalisches Modell von den Vorgängen im Zentrum der Milchstraße ein, das in sich widerspruchsfrei ist.

Das geplante Cherenkov Telescope Array (CTA) soll eine Nachfolgeanlage von H.E.S.S. und MAGIC werden – und an deren Erfolge anknüpfen. Kürzlich wurde beschlossen, das Zentrum für die Datenaufbereitung und den Sitz des wissenschaftlichen Direktors des CTA am Forschungszentrum DESY in Zeuthen anzusiedeln. Anfang des nächsten Jahrzehnts soll dieses weltweit einzigartige Observatorium aufgebaut sein. „Die wichtigsten drei Projekte der Gammastrahlen-Astronomie der Vergangenheit – H.E.S.S., MAGIC und VERITAS in den USA – haben den Grundstein gelegt“, erklärt Johannes Knapp vom DESY in Zeuthen, einer der CTA-Koordinatoren: „Im CTA-Projekt arbeiten Experten aus allen drei Experimenten zusammen, um den nächsten Schritt zu gehen.“

Observatorium im Ewigen Eis

Ein ebenfalls noch junger Spross der Astrophysik nutzt Neutrinos als kosmische Boten. Die der Erde am nächsten gelegene Quelle dieser Teilchen ist die Sonne. Sie liefert aber nur Neutrinos mit geringer Energie. Spannend ist seit kurzem die Suche nach hochenergetischen Neutrinos geworden, denn sie entstehen unter ähnlichen Bedingungen wie die Gammastrahlung und künden also von den spektakulären Vorgängen im All. Neutrinos nachzuweisen, ist jedoch enorm aufwendig, weil sie jede Art von Materie fast ungehindert durchdringen. Man benötigt deshalb riesige Detektoren, damit hin und wieder ein Neutrino darin mit einem Atom zusammenstößt. Dann löst es einen verräterischen Tscherenkow-Blitz aus, der den Forschern Energie und Herkunftsrichtung des Neutrinos verrät. So ist es prinzipiell möglich, die Quelle am Himmel zu lokalisieren. Befindet sich dort ein bereits bekannter Himmelskörper, so steuern die Neutrinos einen weiteren Aspekt zu dessen Beschreibung bei.

Das größte Neutrino-Observatorium befindet sich in der Antarktis. Mehr als 5000 lichtempfindliche Detektoren sind an Kabeltrossen im Eis verankert und suchen in Tiefen zwischen 1450 und 2450 Metern ein Volumen von einem Kubikkilometer nach den Neutrino-Signalen ab. IceCube haben die Forscher die Anlage deshalb genannt. Das antarktische Eis bildet einen riesigen natürlichen Detektor, den man in dieser Größe nicht künstlich herstellen kann. Zwei weitere Anlagen im Mittelmeer und im Baikalsee arbeiten nach demselben Prinzip; sie nutzen das Wasser als Detektor.

Innerhalb der vergangenen vier Jahre konnte IceCube extrem energiereiche Neutrinos aus dem Kosmos nachweisen. Allerdings reicht die Zahl noch nicht aus, um sie eindeutig bekannten Himmelskörpern zuzuordnen – dazu müssten mehrere Neutrinos von derselben Stelle am Himmel kommen, was bislang nicht der Fall war.

Die Forscher wollen sich deshalb intensiver auf die Neutrinos stürzen und IceCube auf ein gewaltiges Detektorvolumen von zehn Kubikkilometern erweitern. Neben den anderen Teleskopen, die in den kommenden Jahren überall auf der Welt entstehen sollen, wird das eine weitere astrophysische Baustelle, von der aus die Wissenschaftler den Geheimnissen des Universums näher kommen.


Sie wollen die Dimensionen des Weltalls besser verstehen? Hier erklären wir sie in einem Video:

27.09.2016 , Thomas Bührke

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