09.11.2007

Neues Fenster zum Kosmos
Sind "Schwarze Löcher" Quellen höchstenergetischer kosmischer Teilchen?
Wuppertaler Astrophysiker an Lösung einer fast 100 Jahre alten Frage beteiligt

Das größte Experiment der Welt auf 3000 Quadratkilometern: Im Vordergrund einer der 1600 Wassertanks, hinten eines der 4 Teleskopgebäude.

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Astrophysiker der Bergischen Universität sind an der nahen Lösung einer fast hundert Jahre alten Fragestellung der Wissenschaft beteiligt: Mit an der Bergischen Universität entwickelten Kameras entdeckt das Pierre Auger-Observatorium in Argentinien in den Ankunftsrichtungen von höchst energiereichen Teilchen aus dem Weltraum das Abbild der Verteilung von massereichen "Schwarzen Löchern". Der Weg dieser Teilchen weist aus unserer Milchstraße hinaus zu mehrere Millionen Lichtjahre entfernten Galaxien, in deren Zentren vermutlich Schwarze Löcher die höchstenergetischen Teilchen des Universums erzeugen, über deren Herkunft Physiker und Astronomen seit Jahrzehnten rätseln. Die Größenordnungen sind unvorstellbar: Jedes der Schwarzen Löcher besteht aus einer äußerst kompakten Materieansammlung mit bis zu über hundert Millionen Sonnenmassen. Das Auger-Observatorium stößt damit ein neues Fenster zum Kosmos auf.

Die Wuppertaler Astrophysiker um Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert haben – in Zusammenarbeit mit Physikern der Universität Rom und des Forschungszentrums Karlsruhe – für das größte Experiment der Welt u. a. die Kameras für großflächige Spiegelteleskope sowie zentrale Teile der Datenaufnahme-Elektronik entwickelt und gebaut. Mit den Teleskopen werden die Leuchtspuren der kosmischen Teilchen bis zu 40 km entfernt in der Atmosphäre nachgewiesen. Die in den Kameras verwendeten 11.000 hochempfindlichen Lichtsensoren wurden in Wuppertal geprüft und kalibriert, bevor sie nach Argentinien verschickt und dort eingebaut wurden. Sie zeichnen 10 Millionen Aufnahmen pro Sekunde auf, sobald erste Anzeichen der Leuchtspur eines kosmischen Teilchens erkennbar sind.

In der argentinischen Pampa Amarilla, 1000 Kilometer westlich von Buenos Aires in der Provinz Mendoza, entsteht mit dem Pierre Auger-Observatorium das größte Messfeld der Welt zur Untersuchung der kosmischen Strahlung. Untersucht werden die energiereichsten Teilchen des Universums. Ihre Energien sind viele Millionen Mal höher als sie in den größten Teilchenbeschleunigern der Erde erzeugt werden können. Dafür sind sie extrem selten: Nur wenige Dutzend solcher Ereignisse konnten seit ersten Pionierexperimenten in den 1960er Jahren überhaupt gemessen werden!

Die geringe Intensität von weniger als einem Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert zwang dazu, eine riesige Fläche mit Detektoren auszustatten. Dabei wird eine Entdeckung des französischen Physikers Pierre Auger (1899-1993) aus dem Jahr 1938 genutzt: Die kosmischen Teilchen kollidieren in großer Höhe mit den Atomkernen der Luft und erzeugen (nach Einsteins Formel E=mc2) Milliarden neuer Teilchen, die wie ein kurzzeitiger Schauer mit Lichtgeschwindigkeit auf den Erdboden treffen und eine Fläche von mehreren zehn Quadratkilometern bedecken können. Das Auger-Observatorium registriert solche kosmischen Teilchenschauer mit einem Netzwerk von 1600 Teilchendetektoren, die im Abstand von 1,5 Kilometern in der flachen Pampa auf 3000 Quadratkilometern aufgestellt sind, einer Fläche größer als das Saarland. Die Kosten des größten Experiments der Welt von über 40 Millionen Euro teilen sich die 16 beteiligten Länder wie Frankreich, Italien, die USA, Argentinien und Deutschland, das mit den Universitäten Aachen, Karlsruhe, Siegen und Wuppertal, dem Forschungszentrum Karlsruhe und dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, beteiligt ist.

"Da nur einmal pro Quadratkilometer und Jahrhundert eines der extremen Teilchen erwartet wird, muss dass Observatorium die enorme Ausdehnung haben. Bei 3000 Quadratkilometern können wir mit etwa einem Teilchen pro Woche rechnen", erläutert Prof. Kampert. Die fast menschenleere Provinz Mendoza in Argentinien ist ein idealer Standort. 1600 Wassertanks mit je 12000 Litern hochreinem Wasser sind auf dem Gelände verteilt. Kosmische Teilchen erzeugen Partikelkaskaden, die in den lichtdicht abgeschlossenen Wassertanks mit hochempfindlichen Lichtsensoren nachgewiesen werden. Gleichzeitig wird die Atmosphäre oberhalb des Geländes in klaren mondlosen Nächten von 24 hochempfindlichen, jeweils 12 Quadratmeter großen Spiegelteleskopen beobachtet, um die Leuchtspuren der Luftschauer nachzuweisen und optisch aufzuzeichnen. Daraus lassen sich die Energie und Richtung der Teilchen viel genauer bestimmen als es bisher möglich war.

Die Energie spielt eine Schlüsselrolle bei der Rückverfolgung der Teilchen, weil sie im Kosmos meist nur gering von Magnetfeldern abgelenkt werden. Bis heute ist nicht geklärt, wie die Teilchen ihre extrem hohen Energien erreichen. Prof. Kampert: "Es geht etwa um die Energie eines hart geschlagenen Tennisballs, die sich in einem einzigen Elementarteilchen oder Atomkern befindet!"

Eines der 24 großflächigen Spiegelteleskope zum Nachweis der Teilchenspuren im Nachthimmel. Links das Eintrittsfenster, Durchmesser 2,2 Meter, in der Mitte die Kamera aus der Wuppertaler Astrophysiker, rechts der segmentierte, 12 Quadratmeter große Spiegel.

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Die über dreihundert am Auger-Observatorium beteiligten Physiker und Ingenieure analysieren laufend die Daten, die das ständig wachsende Detektorsystem seit Januar 2004 liefert. Die erste Ausbaustufe auf der Südhalbkugel in Argentinien wird in wenigen Monaten erreicht sein, aber es gibt schon jetzt ein sehr überraschendes Ergebnis: Die Himmelskarte der Auger-Teilchen zeigt, dass sie nicht gleichmäßig aus allen Richtungen kommen, sondern einen Zusammenhang mit mutmaßlichen Schwarzen Löchern aufweisen, die sich im Zentrum so genannter aktiver Galaxien befinden.

Schwarze Löcher werden in den Zentren der meisten Galaxien vermutet, auch in unserer Milchstraße. Schwarze Löcher sind aus Sternen entstanden und konzentrieren unglaublich viel Materie (Masse). Ihre Anziehungskraft ist so gewaltig, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Deshalb heißen sie "schwarze Löcher". Umgekehrt ziehen sie Licht an und "verschlingen" Materie, die in ihre Nähe kommt. Schwarze Löcher können ganze Sterne "auffressen". Prof. Kampert erläutert: "Ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die der von 100 Millionen Sonnen entspricht, hätte die doppelte Ausdehnung (Schwarzschild-Radius) des Systems Erde-Sonne. Oder anders ausgedrückt: Wenn wir uns auf dem Mars befinden würden, wären fast 100 Millionen Sonnen innerhalb der Umlaufbahn!"

Während sich die meisten Schwarzen Löcher "ruhig" verhalten, herrschen in etwa einem Prozent dieser Galaxienkerne extremste Bedingungen: Riesige Materiemengen, ganze Sterne, stürzen in das zentrale Schwarze Loch, wobei ein Teil der frei werdenden Energie in einen Strahl aus Gas, Teilchen und Strahlung umgesetzt wird, der sich teilweise über Millionen von Lichtjahren entlang der Rotationsachse der Galaxie ausbreitet.

 

"Wir haben einen großen Schritt gemacht, um das Rätsel der energiereichsten kosmischen Strahlung zu lösen", sagte Nobelpreisträger Prof. James Cronin aus Chicago, der das Auger-Projekt maßgeblich konzipierte. Prof. Kamperts Resümee:"Die Kooperation von Helmholtz-Gemeinschaft und Universitäten hat sich als sehr erfolgreich erwiesen. Wir haben bei Entwicklung und Aufbau der Teleskopsysteme mit Aachen, Karlsruhe, Siegen und Wuppertal sehr erfolgreich zusammengearbeitet und verfügen nun über das beste Instrument, das bisher gebaut wurde. Es stößt ein neues Fenster zum Kosmos auf, die Teilchenastronomie, durch das wir neuartige Einblicke gewinnen und das uns vermutlich noch einige Überraschungen bescheren wird."

Die Arbeitsgruppe um die Prof. Kampert und Prof. Dr. Klaus Helbing umfasst über 20 Mitarbeiter, Wissenschaftler, Ingenieure und Studenten, die vom Land NRW und über Drittmittel finanziert werden: Das Bundesforschungsministerium hat als Hauptgeldgeber die Arbeiten der Wuppertaler Astrophysik in den letzten vier Jahren mit über drei Millionen Euro gefördert. Neben dem Pierre-Auger-Experiment leistet die Wuppertaler Arbeitsgruppe auch zentrale Beiträge zum IceCube Experiment am geographischen Südpol. Dort werden ähnliche Zielsetzungen mit 2000 Meter tief im Eis eingeschmolzenen Lichtsensoren verfolgt. Zwei Doktoranden der Wuppertaler Astrophysik halten sich zur Zeit zu Aufbau- und Messarbeiten am Südpol auf.

Kontakt:
Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert
Telefon 0202/439-2856, -2640, Fax -2662, mobil 0177 24 64 322
E-Mail kampert@uni-wuppertal.de
Sekretariat Ingrid Schaarwächter

www.physik.uni-wuppertal.de/Forschung/Teilchenphysik/Astroteilchenphysik/
www.auger.org

Internationale Bildersammlung unter
www.auger.org/observatory/image_gallery_index.html

Astronomy Picture of the Day

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