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Kosmische Strahlung: Wie aus der Pistole

Das All bombardiert die Erde jede Sekunde mit unzähligen Teilchen. Manche von ihnen tragen viel, andere vergleichsweise wenig Energie. Die Herkunft der schnellsten Partikel war bislang ein offenes Rätsel. Eine langjährige Studie bringt nun allmählich Licht ins Dunkel.
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Auf der ganzen Welt sind Wissenschaftler bemüht, Elektronen, Protonen oder andere Kleinstteilchen auf Rekordgeschwindigkeiten zu beschleunigen. Milliarden Euro fließen in den Bau riesiger Beschleuniger. Vielleicht mag es einen Teilchenphysiker deprimieren, dass der Kosmos seinen Partikeln hundert Millionen Mal mehr Energie verleiht, als es die kraftvollsten Anlagen auf der Erde jemals könnten.

Seit 1912 ist die aus allen Richtungen eintreffende Strahlung bekannt und untersucht. Zum Großteil besteht sie aus Protonen, ein Zehntel machen Helium-Kerne aus, und ein Prozent stellen schwere Atomkerne dar. Aber auch Elektronen, Neutrinos und Gammastrahlung lassen sich darin finden. Die wenig energiereiche Strahlung stammt wohl von unserer Sonne und anderen nahen Sternen, während die mit mehr Energie vermutlich von explodierenden Sternen abgeschickt wird.

Woher die noch schnelleren, vorwiegend schwereren Teilchen stammen, bleibt allerdings unklar. Sitzen die Quellen in Galaxien, handelt es sich um Schockfronten kollidierender Galaxien oder um ein gänzlich unbekanntes Phänomen? Fest steht: Es gibt sie. Das bislang energiereichste Projektil wurde 1991 nachgewiesen – seine Energie lag bei 300 Milliarden Milliarden Elektronenvolt. Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat eine Energie von etwa einem Elektronenvolt, Röntgenstrahlen besitzen etwa eintausend bis eine Million Elektronenvolt.

Ein derartiges Geschoss würde sich – wenn es die Erdatmosphäre denn ungehindert durchtreten könnte – wie ein flotter Baseball auf dem Kopf eines Getroffenen anfühlen. Zum Glück bekommen wir von dem kosmischen Beschuss nichts mit, wenn wir unserem Alltag nachgehen. Zu verdanken haben wir das der Erdatmosphäre: Die kosmischen Teilchen treffen darin auf Gasatome und zerfallen kaskadenartig in eine Vielzahl anderer Partikel.

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Pierre-Auger-Observatorium | Ein Detektor des Pierre-Auger-Observatoriums mit den Anden im Hintergrund
Diese so genannten Luftschauer können sich über vierzig Quadratkilometer erstrecken, wenn sie die Erde erreichen. Um sie einzufangen, bedarf es dementsprechend ausgedehnter Nachweisgeräte. Das weltweit größte ist das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien: Auf einer Fläche von über 3000 Quadratkilometern befinden sich 1600 Wasserkanister, welche die Teilchen der Schauer auffangen.

Zusätzlich stehen 24 Teleskope auf der Lauer, um jene fluoreszierenden Blitze nachzuweisen, die entstehen, wenn ein Luftschauer durch die Atmosphäre huscht. 370 Wissenschaftler und Ingenieure aus 17 Ländern entdeckten in nahezu vier Jahren fast eine Million solcher Teilchenfluten. Aus Richtung und Energie der Bestandteile rekonstruieren sie die Eigenschaften des eigentlichen Auslösers. Nur 27 der eintreffenden Geschosse besaßen eine Energie von über 57 Milliarden Milliarden Elektronenvolt.

Damit sind sie so schnell, dass sie kaum von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt werden – und so können die Physiker ihren Ursprung bis auf ein Prozent genau bestimmen. Danach stammen zwanzig von ihnen aus einer Richtung, in der aktive galaktische Kerne vermutet werden. Diese beherbergen in ihrem Zentrum ein massereiches Schwarzes Loch, das Gas und Staub aus seiner Umgebung um sich ansammelt und verschlingt.

Ein Teil der scheinbar todgeweihten Materie wird allerdings mit enormen Energien in so genannten Jets ins All zurück geschleudert. Diese gebündelten Partikelströme sind mit großer Wahrscheinlichkeit die Lieferanten der energiereichen Strahlung, meinen die Forscher des Pierre-Auger-Observatoriums. Kämen die Strahlen zufällig aus irgendeiner Richtung, so sollten höchstens sechs von ihnen mit den Positionen aktiver galaktischer Kerne übereinstimmen, argumentieren sie. Auf Grund der hohen Energie liegen die Quellen wohl allesamt in relativer Nachbarschaft – bis zu 300 Millionen Lichtjahre von der Galaxis entfernt.

Jetzt, wo Wissenschaftler die Heimat der energiereichen Strahlung kennen, stehen sie vor dem nächsten Rätsel: Welche physikalischen Prozesse beschleunigen die Teilchen auf derart hohe Geschwindigkeiten? Bislang gibt es wieder einmal nur Spekulationen.
09.11.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09.11.2007

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