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Neutrino-Astronomie: Geisterteilchenjagd im Polareis

Ein Neutrino-Teleskop schaut idealerweise nicht in den Himmel, sondern tief ins antarktische Eis. Dort soll es jene hochenergetischen Teilchen aufspüren, die aus dem Weltall in die Erde ein- und durch sie hindurchdringen.
Endlich Frühling, endlich Ende Oktober – und die Arbeit an "IceCube", die in der vergangenen antarktischen "Sommersaison" begonnen wurde, kann wieder aufgenommen werden. Von Mitte Oktober 2004 bis Mitte Februar 2005 hatten Wissenschaftler und Ingenieure am Südpol die ersten Bauteile eines gigantischen Teleskops am Südpol installiert.

Als besonderen Erfolg hatten sie im herbstlichen Januar die Platzierung von 60 optischen Sensoren gefeiert, die wie Perlen an einer Schnur in einem zweieinhalb Kilometer tiefen Loch im Eis eingefroren wurden. Mit ihnen wollen die Forscher kosmische Neutrinos nachweisen – geheimnisvolle, subatomare Teilchen, die bei den energiereichsten Prozessen im All entstehen, etwa bei Sternenexplosionen oder Gammastrahlausbrüchen.

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Einer der 4200 Sensoren des IceCube-Projektes | 4200 solcher Sensoren werden in den nächsten Jahren auf Neutrinojagd gehen – dieser hier wartet noch im Lager auf seine Versenkung in die eisigen Tiefen von einem der insgesamt 70 Bohrlöcher.
Das Aufregende an den kosmische Neutrinos ist zugleich die Crux aller interessierten Astronomen: Die Teilchen haben keine elektrische Ladung und so gut wie keine Masse, was dazu führt, dass sie auf ihrem Weg durchs Universum weder von Magnetfeldern noch von Materie abgelenkt oder aufgehalten werden. Anders als bei anderen, geladenen Teilchenbotschaftern aus dem All verrät die Flugrichtung eines detektierten Neutrinos unverfälscht seinen Ursprungsort.

Damit wird es möglich, eine detaillierte Himmelskarte mit Neutrinoquellen zu erstellen – die Objekte dieser Karte nehmen Neutrino-Astronomen mit einer Lupe unter die Augen, mit der bislang nicht gearbeitet und gemessen werden konnte. Schließlich entkommen Neutrinos, wegen ihrer erstaunlich schwachen Reaktionsfreunde, auch solchen Regionen des Alls, aus denen andere Teichen, wie etwa Photonen, nicht zur Erde gelangen können – beispielsweise dem Inneren von kollabierenden Neutronensternen.

Quellen hochenergetischer Neutrinos sind wahrscheinlich auch die weggesprengten Randregionen von Supernovae, die Stoßwellen von aktiven galaktischen Kernen oder ferne Gammastrahlenausbrüche – alle diese Phänomene sind könnten anhand der dort herausbeschleunigten Neutrinos besser, weil mehrdimensional untersucht und verstanden werden. Bliebe allerdings eben die Crux der Neutrinoforscher – aufgrund ihrer Eigenschaften können die Teichchen auf der Erde eben nur mühsam unter Anwendung einiger Tricks detektiert werden.

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Ab in die Tiefe: Eine Sensorenkette ist schon verlegt | Das erste der später einmal 70 Bohrlöcher ist bereits mit einer Sensoren-Perlenkette beschickt worden. In den kommenden antarktischen Sommern wird der Ausbau vorangetrieben.
Da sie die einzigen bekannten Teilchen sind, die ungehindert die Erde durchdringen können, kamen Wissenschaftler auf die Idee, einfach unseren Planeten als Filter zu benutzen und die Blickrichtung eines Neutrino-Teleskops nach unten zu richten. Doch auch dann gelingt der Nachweis nur in dem sehr seltenen Fall, wenn ein Neutrino auf seiner Reise durch die Erde mit einem Atomkern zusammenstößt. Dann bricht nämlich der Atomkern auseinander und aus dem Neutrino entsteht ein Myon, eine Art schweres Elektron, das ein schwaches blaues Licht ausstrahlt.

Dieses Licht kann man mit optischen Sensoren messen, vorausgesetzt die Umgebung ist dafür transparent. Möglich wäre das zum Beispiel in einem tiefen Ozean, am besten geeignet ist jedoch stabiles antarktisches Eis. Es zeichnet sich durch eine extreme Reinheit aus, außerdem stört dort in einem Kilometer Tiefe garantiert kein anderes Licht.

Das erste Neutrino-Teleskop am Südpol ging bereits im Jahr 2000 in Betrieb. Es heißt "Amanda" (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array) und umfasst 680 optische Sensoren. Sein Nachfolger, der um Amanda herum angebaute IceCube, wird nach der Fertigstellung mit insgesamt 4200 Modulen arbeiten, die außer einem lichtempfindlichen Sensor auch einen Mini-Computerserver beinhalten, von dem die Forscher von ihrem Schreibtisch aus Daten herauf- und herunterladen können.

Die Module werden einzeln in basketballgroßen Glasgehäusen verpackt, zu jeweils 60 Stück mit einem Kabel verbunden und dann in 2,4 Kilometer tiefen Löchern im Eis versenkt. Der erste "Perlenkette", eben seit Ende letzten Januars an ihrem Platz, sollen in den nächsten fünf Jahren noch 69 weitere folgen. Dann deckt IceCube ein Volumen von einem Kubikkilometer ab und ist damit eines der weltweit größten wissenschaftlichen Instrumente.

Insgesamt wird das Projekt 272 Millionen Dollar kosten, von denen 242 die National Science Foundation (NSF) übernimmt. Über 150 Wissenschaftler von 26 Instituten aus den USA, Europa, Japan und Neuseeland sind daran beteiligt. Der Astrophysiker Steven Klein, fasst ihre Hoffnung so zusammen: "Eines der aufregendsten Dinge an Ice-Cube ist, das wir schlichtweg nicht genau wissen was wir finden werden. Wenn man ein neues Fenster zum Universum öffnet, besteht auch die Möglichkeit, gänzlich neue Entdeckungen zu machen."
05.11.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 05.11.2005

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