Gammastrahlen-Astronomie Die Jäger des blauen Lichts

Mit einem neuen Teleskop wollen Forscher die energiereichste Strahlung des Universums untersuchen. Es geht um Teilchen, die schneller sind als das Licht - und die Frage, ob Einstein womöglich doch unrecht hatte.

Daniel López/ IAC

Von La Palma berichtet


Wenn man mit Daniel Mazin unterwegs ist, braucht man einen stabilen Magen. Unser Kleinbus schaukelt in den engen Kurven der Straße, die von Santa Cruz de La Palma hinauf zum Roque de Los Muchachos führt. "300 bis 400 Kehren sind das auf dieser Strecke, je nachdem, wie man zählt", sagt der kraushaarige Physiker.

Mazin scheint das Schlingern nichts auszumachen. Er ist die rund 30 Kilometer lange Straße hinauf auf den Berg in den vergangenen Monaten auch sehr oft gefahren. Dort oben, mehr als 2000 Höhenmeter über den schwarzen Stränden der Kanareninsel La Palma, hat er als Projektmanager den Bau eines neuen Teleskops betreut. Nun wird das "Large-Sized Telescope", kurz LST, nach dreijähriger Bauzeit eingeweiht. Als wir endlich direkt davorstehen, ziehen tief unter uns die Wolken übers Meer. Kurz vor der Ankunft auf der Bergspitze konnte man in der Ferne sogar Teneriffa mit dem markanten Teide-Vulkan in der Ferne erkennen.

Astroforscher Mazin, ein Deutscher mit russischen Wurzeln, der an der Universität Tokio arbeitet, hat dafür gerade keinen Blick. Stolz zeigt er sein Teleskop: Der aus 198 Einzelteilen zusammengesetzte riesige Spiegel hat einen Durchmesser von 23 Metern - und eine Gesamtfläche von 400 Quadratmetern. Montiert ist er auf eine extrem leichte Struktur aus Kohlefaser. Dank kräftiger Motoren lässt sich das 100 Tonnen schwere Gerät innerhalb von 20 Sekunden in jede beliebige Beobachtungsposition bringen.

Zur Eröffnung des technischen Wunderwerks haben sich unter anderem auch Physiknobelpreisträger Takaaki Kajita sowie der spanische Wissenschaftsminister und Ex-Astronaut Pedro Duque angekündigt, Mazin steht deswegen etwas unter Zeitdruck.

Das LST auf der spanischen Bergspitze ist der erste Baustein für ein weltweites Observatorium. Mithilfe der Technik wollen Forscher sich auf die Spur von Strahlung machen, deren Energie Tausende Milliarden Mal größer ist als die von sichtbarem Licht. Sie wollen mithilfe des Teleskops endlich besser verstehen, was an einigen der extremsten Orte des Universums abläuft.

Kosmische Teilchenbeschleuniger

Auf der Fahrt zum Gipfel hat Mazin von diesen nur schwer vorstellbaren Arealen geschwärmt: Von sogenannten Aktiven Galaxienkernen, mit einem supermassereichen Schwarzen Loch in ihrem Inneren. Von Überresten von Supernovae, also explodierten Riesensternen. Oder von Pulsaren, das sind schnell rotierende Neutronensterne, also Himmelskörper von deren Materie selbst ein Teelöffel voll schon Millionen von Tonnen wiegen würde. All diese Orte wollen Mazin und seine Kollegen mit dem LST erforschen.

Nicht nur innerhalb, auch außerhalb unserer Galaxie liegen die Orte, an denen sie sich umsehen wollen. Da sind zum Beispiel die Blasare, die gigantische Teilchenjets Richtung Erde schießen, die Radiogalaxien, die selbst in fernen Teilen des Alls so stark strahlen, dass sie sich von der Erde aus beobachten lassen - und so weiter. "Etwas sehr Extremes, etwas sehr Komplexes", so beschreibt Mazin diese kaum vorstellbare Welt

Aktiver Galaxienkern (künstlerische Darstellung)
DESY/ Science Communication Lab

Aktiver Galaxienkern (künstlerische Darstellung)

Um einen Blick darauf zu werfen, müssen die Forscher ein paar Umwege in Kauf nehmen. Erstens können die Astronomen ihre Beobachtungsobjekte nicht direkt sehen, sondern nur die extrem starke Gammastrahlung, die in ihrer Nähe entsteht. Deren Partikel, sogenannte Gammaquanten, bewegen sich auf gerader Linie durchs Universum. Und das ist es, was Mazin und seine Kollegen so fasziniert: Wenn die Teilchen teils nach einer Milliarden von Jahren langen Reise durch den Kosmos die Erde erreichen, können die Wissenschaftler auf ihren Entstehungsort und die -umstände rückschließen. Die Forscher erhoffen sich dabei auch Hinweise auf mögliche Abweichungen von Einsteins Spezieller Relativitätstheorie.

Weltklassebedingungen für astronomische Beobachtungen

Doch, und das ist der zweite Umweg: Die Gammaquanten lassen sich von der Erde aus nicht direkt beobachten. Die Atmosphäre hält - zum Glück für uns Menschen - die extrem energiereiche Strahlung von uns fern. Allerdings kommt es dabei in etwa zehn Kilometern Höhe zu einer Kettenreaktion mit faszinierenden Folgen: Wenn die Gammaquanten auf die Atome und Moleküle der Erdatmosphäre treffen, setzen sie ganze Kaskaden von Teilchenzerfallsprozessen in Gang. Dabei entstehen auch Partikel, die sich schneller als das Licht fortbewegen.

Wie geht das? Schließlich ist doch die Lichtgeschwindigkeit sozusagen die ultimative Geschwindigkeitsbegrenzung im Kosmos. Allerdings ist sie immer abhängig vom Trägermedium - und nur im Vakuum markiert die Lichtgeschwindigkeit tatsächlich das absolute Ende der Geschwindigkeitsskala. In der Luft - und übrigens erst recht im Wasser - breitet sich das Licht dagegen langsamer aus. Hier ist es also sehr wohl möglich, dass andere Partikel schneller unterwegs sind.

In diesem Fall entsteht sogenannte Tscherenkow-Strahlung, benannt nach dem sowjetischen Physiker Pawel Tscherenkow, der sie in den Dreißigern des vorigen Jahrhunderts entdeckt hatte. Tscherenkow-Strahlung lässt sich zum Beispiel in den Abklingbecken von Kernkraftwerken als blaues Leuchten beobachten. Dort entstehen überlichtschnelle Partikel bei den nuklearen Zerfallsprozessen im Inneren der benutzen Brennstäbe.

Archivbild des Abklingbeckens im Kernkraftwerk Krümmel
REUTERS

Archivbild des Abklingbeckens im Kernkraftwerk Krümmel

Am Himmel ist der Lichteffekt für das menschliche Auge unsichtbar. Zu schwach sind die Blitze und nach ein paar Milliardstel Sekunden in der Atmosphäre auch schon wieder verglommen. Doch das LST soll sensibel genug sein, um den Effekt am Himmel über La Palma zu beobachten.

Das neue Teleskop residiert nicht zufällig hier. Wie die anderen Observatorien auf dem Roque de Los Muchachos profitiert es von Weltklassebedingungen für astronomische Beobachtungen: Wolken, die der Passatwind aus dem Nordosten bringt, bleiben an der Nordostflanke des Berges hängen, wo es oft regnet. Die Teleskope dagegen stehen im Nordwesten, hoch über dem Ozean. Trockene Luft und eine geringe Lichtverschmutzung in La Palma tun ihr Übriges.

Weiterer Standort in Chile geplant

Astronomen suchen noch nicht allzu lange mit Teleskopen auf der Erde nach Tscherenkow-Strahlung. Erst im Jahr 1989 fanden Wissenschaftler im US-Bundesstaat Arizona auf diese Weise die erste Gammastrahlenquelle im All. Es war der stark strahlende Krebsnebel, der Überrest einer mächtigen Supernova.

Der Krebsnebel in einer optischen Aufnahme des "Hubble"-Teleskops
AFP/ NASA/ ESA

Der Krebsnebel in einer optischen Aufnahme des "Hubble"-Teleskops

"Als ich vor 2002 anfing, mich mit dem Thema zu beschäftigen, gab es immerhin schon sechs bekannte Gammaquellen", erinnert sich Projektmanager Mazin. Heute sind um die 200 identifiziert, dank der Teleskope "Magic" (installiert auch auf La Palma, direkt neben dem LST), "Veritas" (im US-Bundesstaat Arizona) und "H.E.S.S." (in Namibia). Nun hoffen die Forscher auf zahlreiche neue Funde. "Wir erwarten Zehntausende Quellen", beschwört Mazin.

Angesichts der erwarteten Fülle neuer Funde überrascht es nicht, dass ein einziges LST für die geplanten Beobachtungen nicht ausreicht. Das Teleskop soll vielmehr Teil eines großen Verbundes namens Cherenkow Telescope Array (CTA) werden. In dessen Rahmen sollen mehr als 100 Teleskope dreier Größenklassen an zwei Stellen der Erde nach dem geheimnisvollen blauen Leuchten in der Atmosphäre suchen. Neben dem Standort in La Palma ist ein weiterer in der Wüste von Chile geplant.

Mehr als 100 Teleskope, das heißt auch: Das Projekt wird nicht billig. Bisher geht das Konsortium zum Aufbau des CTA von 400 Millionen Euro Gesamtkosten aus. Doch es könnten auch mehr werden. Lohnt sich das alles überhaupt? Ja, sagt Takaaki Kajita, der nach den offiziellen Einweihungsfeierlichkeiten ins Verwaltungsgebäude der Observatorien auf dem Roque de Los Muchachos gekommen ist, der Residencia, wie sie hier sagen.

Die Stimme des Physikers von der Universität Tokio hat Gewicht, schließlich hat er 2015 für seine Forschungen zu Neutrinos den Nobelpreis bekommen. Er erhoffe sich von dem neuen Teleskopverbund fundamentale Erkenntnisse, sagt er beim Gespräch: "Vielleicht sehen wir ja durch die Beobachtung der Gammastrahlen erste Hinweise auf die Partikel der Dunklen Materie." Das neue Teleskop sei um den Faktor zehn sensibler als bisherige Anlagen. Da sollte, so sagt Kajita lächelnd, eigentlich etwas von der Substanz zu finden sein, die 27 Prozent der Gesamtmasse des Alls ausmacht.

Die Weicheier des Kosmos

Konkret geht es um hypothetische Partikel, die die Forscher WIMPs nennen, das ist die Abkürzung für weakly interacting massive particles. Ein "Wimp" ist in Englisch ein Weichei. Das passt, weil die Teilchen normale Materie tatsächlich nicht beeinflussen könnten. Bis heute ist allerdings noch gar nicht klar, ob es WIMPs wirklich gibt. Und das, obwohl eine ganze Zahl von Experimenten weltweit nach ihnen sucht.

Und für einen Moment kommt jetzt Skepsis auf, denn WIMPs sind ein Trendbegriff der Physik. Nahezu jedes größere Experiment, das etwas auf sich hält, verspricht aktuell, die Suche nach Dunkler Materie voranzubringen - auch wenn die Chancen in der Praxis nur sehr gering sind. Ist das womöglich auch beim LST so?

Masahiro Teshima, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München, er ist inzwischen ebenfalls in die Residencia gekommen, verneint. "Richtig gute Chancen" habe man mit den neuen Teleskopen, die Dunkle Materie tatsächlich zu finden. Und zwar, wenn alles gut geht, so: Zwar interagieren WIMPs höchst selten, aber manchmal soll es eben doch der Fall sein. Wenn sich zwei von ihnen treffen, dann würden sie sich auslöschen. In diesem Fall müsste hochenergetische Gammastrahlung entstehen. Und die wiederum sollte sich nachweisen lassen - wenn es gelingt, in den Daten die ohnehin im Zentrum der Milchstraße entstehende Gammastrahlung herauszurechnen.

Mit zwei oder drei LSTs, wie das gerade eingeweihte, müssten sich die entscheidenden Messungen machen lassen, verspricht Teshima. "Wir müssten uns etwa 500 Stunden lang das Galaktische Zentrum ansehen." Das neue Teleskop kann im Jahr mit vermutlich 1500 Beobachtungsstunden rechnen. Immerhin kann man beispielsweise nur nachts damit arbeiten, dann auch nicht bei Vollmond - und das Wetter sollte auch gut sein.

Max-Planck-Direktor Teshima glaubt, dass daher etwa fünf Jahre nötig sind, um der Dunklen Materie endgültig auf die Spur zu kommen. Losgehen könnte es 2021 oder 2022, nach dem Bau weiterer LST auf La Palma. "Vielleicht können wir dann 2027 über den Nachweis Dunkler Materie berichten", sagt Teshima. "Das wäre mein Traum."

Anmerkung der Redaktion: In einer früheren Version des Artikels hieß es, der Passatwind aus Westen sammele Wolken vor der Westflanke des Roque de Los Muchachos und schütze so die Gegend der Teleskope im Osten vor bewölktem Himmel. Wir haben die Windrichtung und die Beschreibung der Lage der Teleskope korrigiert.

insgesamt 22 Beiträge
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Seite 1
sven_schreiber 27.10.2018
1. Einstein
Aus dem Artikel wird leider nicht klar, wo jetzt genau Einstein wiederlegt werden soll. Entweder ist die Überschrift einclickbait oder der Artikel unvollständig!
j.doerges 27.10.2018
2. geradlinige Ausbreitung?
/* Deren Partikel, sogenannte Gammaquanten, bewegen sich auf gerader Linie durchs Universum. */ Ich bin kein Spezialist für Relativitätsphysik aber ich habe mal gelernt, dass der Raum durch schwere Massen gekrümmt wird und deshalb wird Licht durch solche vom geraden Weg abgelenkt - und Gammastrahlen sind doch auch Licht. Gerade diese Ablenkung war ja der erste Beweis, dass die allgemeine Relativitätstheorie die Realität richtig beschreibt.
ödi 27.10.2018
3. Passatwinde
Ich bin kein Astrophysiker, nicht einmal ansatzweise. Aber ich kenne La Palma und seine Wetterverhältnisse sehr gut, lebe hier seit über dreissig Jahren. Die zitierten Passatwinde blasen aus nördlichen und nordöstlichen Richtungen, deshalb bleiben die Wolken keineswegs im Westen der Insel hängen sondern im Osten, hier auch scherzhaft Rheuma-Seite genannt. Die Rheumatiker mögen mir verzeihen.
josef2018 28.10.2018
4. "Es geht
um Teilchen, die schneller sind als das Licht" Gibt es dafür schon einen wissenschaftlichen Beweis? Erst dann ist Einstein widerlegt.
Newspeak 28.10.2018
5. ....
Muss man wirklich immer die Frage stellen, ob sich etwas lohnt? Haben sich Faradays Experimente für seine Zeitgenossen gelohnt? Wohl eher nicht. Aber sehr wohl für uns? Wieso fragt man nicht das Militär mal, wofür sich eigentlich ein Panzer oder Flugzeug lohnt. Da gehen die Ausgaben leicht in die Milliarden und niemand stellt das infrage. Was also soll das hier? Die Naturwissenschaft liefert seit 200 Jahren zumeist ohne eigenen Profit daraus zu schlagen zuvor unerreichten Wohlstand. Wo bleibt das Danke der Gesellschaft?
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