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Freistetters Formelwelt: Überlichtschnelle Blitze von fernen Galaxien

Nichts ist schneller als das Licht – unter fast allen Bedingungen. Wenn die Lichtgeschwindigkeit allerdings doch einmal überschritten wird, freut das ganz besonders die Astronomie.
Die Tscherenkow-Teleskope auf La Palma können die kosmische Gammastrahlung indirekt beobachten, indem sie die Tscherenkow-Blitze in unserer Atmosphäre detektieren.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt exakt 299 792,458 Kilometer pro Sekunde. Das gilt, wenn sich das Licht im Vakuum bewegt. Diese Vakuumlichtgeschwindigkeit ist die absolute Obergrenze im Universum. Wenn sich das Licht durch ein Medium bewegen muss, dann ist es allerdings langsamer und kann überholt werden. Was dann passiert, erklärt unter anderem diese Formel:

Es handelt sich dabei um die Frank-Tamm-Formel, benannt nach den russischen Physikern Ilya Frank und Igor Tamm. Die Gleichung beschreibt, wie viel Energie E pro Längeneinheit x von einem Teilchen pro Frequenzeinheit ω ausgestrahlt wird.

Die Strahlung heißt Tscherenkow-Strahlung und entsteht immer dann, wenn sich geladene Teilchen schneller als das Licht bewegen. Etwas genauer gesagt: wenn die Bewegung der Teilchen schneller als die Phasengeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist, also die Geschwindigkeit, mit der sich die gleichen Phasen einer Welle mit einer einzigen Frequenz bewegen. Die Frank-Tamm-Formel hängt dabei von der Ladung e der Teilchen ab, genauso wie vom Brechungsindex n und der magnetischen Durchlässigkeit μ des Mediums, durch das sich die Teilchen mit der Geschwindigkeit v bewegen.

Die legendärsten mathematischen Kniffe, die übelsten Stolpersteine der Physikgeschichte und allerhand Formeln, denen kaum einer ansieht, welche Bedeutung in ihnen schlummert: Das sind die Bewohner von Freistetters Formelwelt.
Alle Folgen seiner wöchentlichen Kolumne, die immer sonntags erscheint, finden Sie hier.

Man kann sich das durch die Formel beschriebene Phänomen ein wenig wie den Überschallknall eines Flugzeugs vorstellen, das sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegt. Trifft ein geladenes Teilchen auf ein Medium, wo es schneller als die lokale Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, dann entsteht Strahlung mit der durch die Frank-Tamm-Formel beschriebenen Eigenschaften. Sie wird von Atomen erzeugt, die durch das vorbeisausende geladene Teilchen polarisiert werden. Wenn es langsam genug unterwegs ist, interferieren diese Lichtwellen und löschen sich aus. Bei überlichtschnellen Teilchen funktioniert das jedoch nicht mehr – und es entsteht die Tscherenkow-Strahlung.

Leuchtendes Kernkraftwerk

Die kann man auch beobachten, zum Beispiel als blaues Leuchten in den Abklingbecken von Kernkraftwerken. Die radioaktiven Brennelemente setzen schnelle Elektronen frei, die sich im Kühlwasser schneller als das Licht bewegen können.

Tscherenkow-Strahlung wird aber auch auf natürlichem Weg erzeugt. Kosmische Strahlung aus dem Weltall löst in der Erdatmosphäre kernphysikalische Reaktionen aus, wodurch Schauer von Teilchen entstehen, die sich extrem schnell und mitunter überlichtschnell bewegen. Sie erzeugen »Tscherenkow-Blitze«, die man zwar nicht mit bloßem Auge sehen, doch mit geeigneten Teleskopen durchaus detektieren kann.

Für die Astronomie ist das ein Glücksfall. Denn der hochenergetische Anteil der kosmischen Strahlung, der diese Blitze auslöst, stammt meist von weit entfernten Objekten, etwa den aktiven Zentren ferner Galaxien, der Umgebung Schwarzer Löcher, von Supernova-Explosionen oder Pulsaren. Für die kosmische Strahlung selbst ist die Erdatmosphäre undurchlässig – um sie direkt beobachten zu können, müssen wir Gammateleskope ins Weltall schicken. Wie jede Art von Weltraumteleskop sind auch diese Missionen komplex und teuer. Doch mit Tscherenkow-Teleskopen kann man vom Erdboden aus das Licht beobachten, das die kosmische Gammastrahlung durch das Auftreffen auf die Atmosphäre auslöst. Aus der Richtung und Energie der Blitze lässt sich auf die Herkunft der ursprünglichen kosmischen Strahlung schließen.

Bei ihrer Suche nach Möglichkeiten, das Universum zu beobachten, muss die Astronomie zwangsläufig kreativ werden. Die Überlichtgeschwindigkeitsastronomie der Tscherenkow-Teleskope gehört zu ihren besten Einfällen.

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